Area-Efficient Linear Regression Architecture for Real-Time Signal Processing on FPGAs

Linear regression is a technique widely used in digital signal processing. It consists on finding the linear function that better fits a given set of samples. This paper proposes different hardware architectures for the implementation of the linear regression method on FPGAs, specially targeting area restrictive systems. It saves area at the cost of constraining the lengths of the input signal to some fixed values. We have implemented the proposed scheme in an Automatic Modulation Classifier, meeting the hard real-time constraints this kind of systems have.

Dynamic analysis of road vehicle-bridge systems under turbulent wind by means of Finite Element Models

When an automobile passes over a bridge dynamic effects are produced in vehicle and structure. In addition, the bridge itself moves when exposed to the wind inducing dynamic effects on the vehicle that have to be considered. The main objective of this work is to understand the influence of the different parameters concerning the vehicle, the bridge, the road roughness or the wind in the comfort and safety of the vehicles when crossing bridges. Non linear finite element models are used for structures and multibody dynamic models are employed for vehicles. The interaction between the vehicle and the bridge is considered by contact methods. Road roughness is described by the power spectral density (PSD) proposed by the ISO 8608. To consider that the profiles under right and left wheels are different but not independent, the hypotheses of homogeneity and isotropy are assumed. To generate the wind velocity history along the road the Sandia method is employed. The global problem is solved by means of the finite element method. First the methodology for modelling the interaction is verified in a benchmark. Following, the case of a vehicle running along a rigid road and subjected to the action of the turbulent wind is analyzed and the road roughness is incorporated in a following step. Finally the flexibility of the bridge is added to the model by making the vehicle run over the structure. The application of this methodology will allow to understand the influence of the different parameters in the comfort and safety of road vehicles crossing wind exposed bridges. Those results will help to recommend measures to make the traffic over bridges more reliable without affecting the structural integrity of the viaduct

Non-linear gain - look-up table based approach for modeling a family of DC to DC converters based on transient response analysis

The purpose of this work is to propose a structure for simulating power systems using behavioral models of nonlinear DC to DC converters implemented through a look-up table of gains. This structure is specially designed for converters whose output impedance depends on the load current level, e.g. quasi-resonant converters. The proposed model is a generic one whose parameters can be obtained by direct measuring the transient response at different operating points. It also includes optional functionalities for modeling converters with current limitation and current sharing in paralleling characteristics. The pusposed structured also allows including aditional characteristics of the DC to DC converter as the efficency as a function of the input voltage and the output current or overvoltage and undervoltage protections. In addition, this proposed model is valid for overdamped and underdamped situations.

An example of Learning based on competences: Use of Maxima in Linear Algebra for Engineers

This paper analyzes the role of Computer Algebra Systems (CAS) in a model of learning based on competences. The proposal is an e-learning model Linear Algebra course for Engineering, which includes the use of a CAS (Maxima) and focuses on problem solving. A reference model has been taken from the Spanish Open University. The proper use of CAS is defined as an indicator of the generic ompetence: Use of Technology. Additionally, we show that using CAS could help to enhance the following generic competences: Self Learning, Planning and Organization, Communication and Writing, Mathematical and Technical Writing, Information Management and Critical Thinking.

Conceptual framework for the design, implementation and validation of psychomotor skills’ assessment systems in minimally invasive surgery

Las técnicas de cirugía de mínima invasión (CMI) se están consolidando hoy en día como alternativa a la cirugía tradicional, debido a sus numerosos beneficios para los pacientes. Este cambio de paradigma implica que los cirujanos deben aprender una serie de habilidades distintas de aquellas requeridas en cirugía abierta. El entrenamiento y evaluación de estas habilidades se ha convertido en una de las mayores preocupaciones en los programas de formación de cirujanos, debido en gran parte a la presión de una sociedad que exige cirujanos bien preparados y una reducción en el número de errores médicos. Por tanto, se está prestando especial atención a la definición de nuevos programas que permitan el entrenamiento y la evaluación de las habilidades psicomotoras en entornos seguros antes de que los nuevos cirujanos puedan operar sobre pacientes reales. Para tal fin, hospitales y centros de formación están gradualmente incorporando instalaciones de entrenamiento donde los residentes puedan practicar y aprender sin riesgos. Es cada vez más común que estos laboratorios dispongan de simuladores virtuales o simuladores físicos capaces de registrar los movimientos del instrumental de cada residente. Estos simuladores ofrecen una gran variedad de tareas de entrenamiento y evaluación, así como la posibilidad de obtener información objetiva de los ejercicios. Los diferentes estudios de validación llevados a cabo dan muestra de su utilidad; pese a todo, los niveles de evidencia presentados son en muchas ocasiones insuficientes. Lo que es más importante, no existe un consenso claro a la hora de definir qué métricas son más útiles para caracterizar la pericia quirúrgica. El objetivo de esta tesis doctoral es diseñar y validar un marco de trabajo conceptual para la definición y validación de entornos para la evaluación de habilidades en CMI, en base a un modelo en tres fases: pedagógica (tareas y métricas a emplear), tecnológica (tecnologías de adquisición de métricas) y analítica (interpretación de la competencia en base a las métricas). Para tal fin, se describe la implementación práctica de un entorno basado en (1) un sistema de seguimiento de instrumental fundamentado en el análisis del vídeo laparoscópico; y (2) la determinación de la pericia en base a métricas de movimiento del instrumental. Para la fase pedagógica se diseñó e implementó un conjunto de tareas para la evaluación de habilidades psicomotoras básicas, así como una serie de métricas de movimiento. La validación de construcción llevada a cabo sobre ellas mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. Adicionalmente, los resultados obtenidos en la validación de apariencia fueron en general positivos en todos los grupos considerados (noveles, residentes, expertos). Para la fase tecnológica, se introdujo el EVA Tracking System, una solución para el seguimiento del instrumental quirúrgico basado en el análisis del vídeo endoscópico. La precisión del sistema se evaluó a 16,33ppRMS para el seguimiento 2D de la herramienta en la imagen; y a 13mmRMS para el seguimiento espacial de la misma. La validación de construcción con una de las tareas de evaluación mostró buenos resultados para tiempo, camino recorrido, profundidad, velocidad media, aceleración media, economía de área y economía de volumen. La validación concurrente con el TrEndo® Tracking System por su parte presentó valores altos de correlación para 8 de las 9 métricas analizadas. Finalmente, para la fase analítica se comparó el comportamiento de tres clasificadores supervisados a la hora de determinar automáticamente la pericia quirúrgica en base a la información de movimiento del instrumental, basados en aproximaciones lineales (análisis lineal discriminante, LDA), no lineales (máquinas de soporte vectorial, SVM) y difusas (sistemas adaptativos de inferencia neurodifusa, ANFIS). Los resultados muestran que en media SVM presenta un comportamiento ligeramente superior: 78,2% frente a los 71% y 71,7% obtenidos por ANFIS y LDA respectivamente. Sin embargo las diferencias estadísticas medidas entre los tres no fueron demostradas significativas. En general, esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas relativas a la definición de sistemas de evaluación de habilidades para cirugía de mínima invasión, a la utilidad del análisis de vídeo como fuente de información y a la importancia de la información de movimiento de instrumental a la hora de caracterizar la pericia quirúrgica. Basándose en estos cimientos, se han de abrir nuevos campos de investigación que contribuyan a la definición de programas de formación estructurados y objetivos, que puedan garantizar la acreditación de cirujanos sobradamente preparados y promocionen la seguridad del paciente en el quirófano. Abstract Minimally invasive surgery (MIS) techniques have become a standard in many surgical sub-specialties, due to their many benefits for patients. However, this shift in paradigm implies that surgeons must acquire a complete different set of skills than those normally attributed to open surgery. Training and assessment of these skills has become a major concern in surgical learning programmes, especially considering the social demand for better-prepared professionals and for the decrease of medical errors. Therefore, much effort is being put in the definition of structured MIS learning programmes, where practice with real patients in the operating room (OR) can be delayed until the resident can attest for a minimum level of psychomotor competence. To this end, skills’ laboratory settings are being introduced in hospitals and training centres where residents may practice and be assessed on their psychomotor skills. Technological advances in the field of tracking technologies and virtual reality (VR) have enabled the creation of new learning systems such as VR simulators or enhanced box trainers. These systems offer a wide range of tasks, as well as the capability of registering objective data on the trainees’ performance. Validation studies give proof of their usefulness; however, levels of evidence reported are in many cases low. More importantly, there is still no clear consensus on topics such as the optimal metrics that must be used to assess competence, the validity of VR simulation, the portability of tracking technologies into real surgeries (for advanced assessment) or the degree to which the skills measured and obtained in laboratory environments transfer to the OR. The purpose of this PhD is to design and validate a conceptual framework for the definition and validation of MIS assessment environments based on a three-pillared model defining three main stages: pedagogical (tasks and metrics to employ), technological (metric acquisition technologies) and analytical (interpretation of competence based on metrics). To this end, a practical implementation of the framework is presented, focused on (1) a video-based tracking system and (2) the determination of surgical competence based on the laparoscopic instruments’ motionrelated data. The pedagogical stage’s results led to the design and implementation of a set of basic tasks for MIS psychomotor skills’ assessment, as well as the definition of motion analysis parameters (MAPs) to measure performance on said tasks. Validation yielded good construct results for parameters such as time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume. Additionally, face validation results showed positive acceptance on behalf of the experts, residents and novices. For the technological stage the EVA Tracking System is introduced. EVA provides a solution for tracking laparoscopic instruments from the analysis of the monoscopic video image. Accuracy tests for the system are presented, which yielded an average RMSE of 16.33pp for 2D tracking of the instrument on the image and of 13mm for 3D spatial tracking. A validation experiment was conducted using one of the tasks and the most relevant MAPs. Construct validation showed significant differences for time, path length, depth, average speed, average acceleration, economy of area and economy of volume; especially between novices and residents/experts. More importantly, concurrent validation with the TrEndo® Tracking System presented high correlation values (>0.7) for 8 of the 9 MAPs proposed. Finally, the analytical stage allowed comparing the performance of three different supervised classification strategies in the determination of surgical competence based on motion-related information. The three classifiers were based on linear (linear discriminant analysis, LDA), non-linear (support vector machines, SVM) and fuzzy (adaptive neuro fuzzy inference systems, ANFIS) approaches. Results for SVM show slightly better performance than the other two classifiers: on average, accuracy for LDA, SVM and ANFIS was of 71.7%, 78.2% and 71% respectively. However, when confronted, no statistical significance was found between any of the three. Overall, this PhD corroborates the investigated research hypotheses regarding the definition of MIS assessment systems, the use of endoscopic video analysis as the main source of information and the relevance of motion analysis in the determination of surgical competence. New research fields in the training and assessment of MIS surgeons can be proposed based on these foundations, in order to contribute to the definition of structured and objective learning programmes that guarantee the accreditation of well-prepared professionals and the promotion of patient safety in the OR.

Contributions to the contextualization of human-machine spoken interaction systems

The design and development of spoken interaction systems has been a thoroughly studied research scope for the last decades. The aim is to obtain systems with the ability to interact with human agents with a high degree of naturalness and efficiency, allowing them to carry out the actions they desire using speech, as it is the most natural means of communication between humans. To achieve that degree of naturalness, it is not enough to endow systems with the ability to accurately understand the user’s utterances and to properly react to them, even considering the information provided by the user in his or her previous interactions. The system has also to be aware of the evolution of the conditions under which the interaction takes place, in order to act the most coherent way as possible at each moment. Consequently, one of the most important features of the system is that it has to be context-aware. This context awareness of the system can be reflected in the modification of the behaviour of the system taking into account the current situation of the interaction. For instance, the system should decide which action it has to carry out, or the way to perform it, depending on the user that requests it, on the way that the user addresses the system, on the characteristics of the environment in which the interaction takes place, and so on. In other words, the system has to adapt its behaviour to these evolving elements of the interaction. Moreover that adaptation has to be carried out, if possible, in such a way that the user: i) does not perceive that the system has to make any additional effort, or to devote interaction time to perform tasks other than carrying out the requested actions, and ii) does not have to provide the system with any additional information to carry out the adaptation, which could imply a lesser efficiency of the interaction, since users should devote several interactions only to allow the system to become adapted. In the state-of-the-art spoken dialogue systems, researchers have proposed several disparate strategies to adapt the elements of the system to different conditions of the interaction (such as the acoustic characteristics of a specific user’s speech, the actions previously requested, and so on). Nevertheless, to our knowledge there is not any consensus on the procedures to carry out these adaptation. The approaches are to an extent unrelated from one another, in the sense that each one considers different pieces of information, and the treatment of that information is different taking into account the adaptation carried out. In this regard, the main contributions of this Thesis are the following ones: Definition of a contextualization framework. We propose a unified approach that can cover any strategy to adapt the behaviour of a dialogue system to the conditions of the interaction (i.e. the context). In our theoretical definition of the contextualization framework we consider the system’s context as all the sources of variability present at any time of the interaction, either those ones related to the environment in which the interaction takes place, or to the human agent that addresses the system at each moment. Our proposal relies on three aspects that any contextualization approach should fulfill: plasticity (i.e. the system has to be able to modify its behaviour in the most proactive way taking into account the conditions under which the interaction takes place), adaptivity (i.e. the system has also to be able to consider the most appropriate sources of information at each moment, both environmental and user- and dialogue-dependent, to effectively adapt to the conditions aforementioned), and transparency (i.e. the system has to carry out the contextualizaton-related tasks in such a way that the user neither perceives them nor has to do any effort in providing the system with any information that it needs to perform that contextualization). Additionally, we could include a generality aspect to our proposed framework: the main features of the framework should be easy to adopt in any dialogue system, regardless of the solution proposed to manage the dialogue. Once we define the theoretical basis of our contextualization framework, we propose two cases of study on its application in a spoken dialogue system. We focus on two aspects of the interaction: the contextualization of the speech recognition models, and the incorporation of user-specific information into the dialogue flow. One of the modules of a dialogue system that is more prone to be contextualized is the speech recognition system. This module makes use of several models to emit a recognition hypothesis from the user’s speech signal. Generally speaking, a recognition system considers two types of models: an acoustic one (that models each of the phonemes that the recognition system has to consider) and a linguistic one (that models the sequences of words that make sense for the system). In this work we contextualize the language model of the recognition system in such a way that it takes into account the information provided by the user in both his or her current utterance and in the previous ones. These utterances convey information useful to help the system in the recognition of the next utterance. The contextualization approach that we propose consists of a dynamic adaptation of the language model that is used by the recognition system. We carry out this adaptation by means of a linear interpolation between several models. Instead of training the best interpolation weights, we make them dependent on the conditions of the dialogue. In our approach, the system itself will obtain these weights as a function of the reliability of the different elements of information available, such as the semantic concepts extracted from the user’s utterance, the actions that he or she wants to carry out, the information provided in the previous interactions, and so on. One of the aspects more frequently addressed in Human-Computer Interaction research is the inclusion of user specific characteristics into the information structures managed by the system. The idea is to take into account the features that make each user different from the others in order to offer to each particular user different services (or the same service, but in a different way). We could consider this approach as a user-dependent contextualization of the system. In our work we propose the definition of a user model that contains all the information of each user that could be potentially useful to the system at a given moment of the interaction. In particular we will analyze the actions that each user carries out throughout his or her interaction. The objective is to determine which of these actions become the preferences of that user. We represent the specific information of each user as a feature vector. Each of the characteristics that the system will take into account has a confidence score associated. With these elements, we propose a probabilistic definition of a user preference, as the action whose likelihood of being addressed by the user is greater than the one for the rest of actions. To include the user dependent information into the dialogue flow, we modify the information structures on which the dialogue manager relies to retrieve information that could be needed to solve the actions addressed by the user. Usage preferences become another source of contextual information that will be considered by the system towards a more efficient interaction (since the new information source will help to decrease the need of the system to ask users for additional information, thus reducing the number of turns needed to carry out a specific action). To test the benefits of the contextualization framework that we propose, we carry out an evaluation of the two strategies aforementioned. We gather several performance metrics, both objective and subjective, that allow us to compare the improvements of a contextualized system against the baseline one. We will also gather the user’s opinions as regards their perceptions on the behaviour of the system, and its degree of adaptation to the specific features of each interaction. Resumen El diseño y el desarrollo de sistemas de interacción hablada ha sido objeto de profundo estudio durante las pasadas décadas. El propósito es la consecución de sistemas con la capacidad de interactuar con agentes humanos con un alto grado de eficiencia y naturalidad. De esta manera, los usuarios pueden desempeñar las tareas que deseen empleando la voz, que es el medio de comunicación más natural para los humanos. A fin de alcanzar el grado de naturalidad deseado, no basta con dotar a los sistemas de la abilidad de comprender las intervenciones de los usuarios y reaccionar a ellas de manera apropiada (teniendo en consideración, incluso, la información proporcionada en previas interacciones). Adicionalmente, el sistema ha de ser consciente de las condiciones bajo las cuales transcurre la interacción, así como de la evolución de las mismas, de tal manera que pueda actuar de la manera más coherente en cada instante de la interacción. En consecuencia, una de las características primordiales del sistema es que debe ser sensible al contexto. Esta capacidad del sistema de conocer y emplear el contexto de la interacción puede verse reflejada en la modificación de su comportamiento debida a las características actuales de la interacción. Por ejemplo, el sistema debería decidir cuál es la acción más apropiada, o la mejor manera de llevarla a término, dependiendo del usuario que la solicita, del modo en el que lo hace, etcétera. En otras palabras, el sistema ha de adaptar su comportamiento a tales elementos mutables (o dinámicos) de la interacción. Dos características adicionales son requeridas a dicha adaptación: i) el usuario no ha de percibir que el sistema dedica recursos (temporales o computacionales) a realizar tareas distintas a las que aquél le solicita, y ii) el usuario no ha de dedicar esfuerzo alguno a proporcionar al sistema información adicional para llevar a cabo la interacción. Esto último implicaría una menor eficiencia de la interacción, puesto que los usuarios deberían dedicar parte de la misma a proporcionar información al sistema para su adaptación, sin ningún beneficio inmediato. En los sistemas de diálogo hablado propuestos en la literatura, se han propuesto diferentes estrategias para llevar a cabo la adaptación de los elementos del sistema a las diferentes condiciones de la interacción (tales como las características acústicas del habla de un usuario particular, o a las acciones a las que se ha referido con anterioridad). Sin embargo, no existe una estrategia fija para proceder a dicha adaptación, sino que las mismas no suelen guardar una relación entre sí. En este sentido, cada una de ellas tiene en cuenta distintas fuentes de información, la cual es tratada de manera diferente en función de las características de la adaptación buscada. Teniendo en cuenta lo anterior, las contribuciones principales de esta Tesis son las siguientes: Definición de un marco de contextualización. Proponemos un criterio unificador que pueda cubrir cualquier estrategia de adaptación del comportamiento de un sistema de diálogo a las condiciones de la interacción (esto es, el contexto de la misma). En nuestra definición teórica del marco de contextualización consideramos el contexto del sistema como todas aquellas fuentes de variabilidad presentes en cualquier instante de la interacción, ya estén relacionadas con el entorno en el que tiene lugar la interacción, ya dependan del agente humano que se dirige al sistema en cada momento. Nuestra propuesta se basa en tres aspectos que cualquier estrategia de contextualización debería cumplir: plasticidad (es decir, el sistema ha de ser capaz de modificar su comportamiento de la manera más proactiva posible, teniendo en cuenta las condiciones en las que tiene lugar la interacción), adaptabilidad (esto es, el sistema ha de ser capaz de considerar la información oportuna en cada instante, ya dependa del entorno o del usuario, de tal manera que adecúe su comportamiento de manera eficaz a las condiciones mencionadas), y transparencia (que implica que el sistema ha de desarrollar las tareas relacionadas con la contextualización de tal manera que el usuario no perciba la manera en que dichas tareas se llevan a cabo, ni tampoco deba proporcionar al sistema con información adicional alguna). De manera adicional, incluiremos en el marco propuesto el aspecto de la generalidad: las características del marco de contextualización han de ser portables a cualquier sistema de diálogo, con independencia de la solución propuesta en los mismos para gestionar el diálogo. Una vez hemos definido las características de alto nivel de nuestro marco de contextualización, proponemos dos estrategias de aplicación del mismo a un sistema de diálogo hablado. Nos centraremos en dos aspectos de la interacción a adaptar: los modelos empleados en el reconocimiento de habla, y la incorporación de información específica de cada usuario en el flujo de diálogo. Uno de los módulos de un sistema de diálogo más susceptible de ser contextualizado es el sistema de reconocimiento de habla. Este módulo hace uso de varios modelos para generar una hipótesis de reconocimiento a partir de la señal de habla. En general, un sistema de reconocimiento emplea dos tipos de modelos: uno acústico (que modela cada uno de los fonemas considerados por el reconocedor) y uno lingüístico (que modela las secuencias de palabras que tienen sentido desde el punto de vista de la interacción). En este trabajo contextualizamos el modelo lingüístico del reconocedor de habla, de tal manera que tenga en cuenta la información proporcionada por el usuario, tanto en su intervención actual como en las previas. Estas intervenciones contienen información (semántica y/o discursiva) que puede contribuir a un mejor reconocimiento de las subsiguientes intervenciones del usuario. La estrategia de contextualización propuesta consiste en una adaptación dinámica del modelo de lenguaje empleado en el reconocedor de habla. Dicha adaptación se lleva a cabo mediante una interpolación lineal entre diferentes modelos. En lugar de entrenar los mejores pesos de interpolación, proponemos hacer los mismos dependientes de las condiciones actuales de cada diálogo. El propio sistema obtendrá estos pesos como función de la disponibilidad y relevancia de las diferentes fuentes de información disponibles, tales como los conceptos semánticos extraídos a partir de la intervención del usuario, o las acciones que el mismo desea ejecutar. Uno de los aspectos más comúnmente analizados en la investigación de la Interacción Persona-Máquina es la inclusión de las características específicas de cada usuario en las estructuras de información empleadas por el sistema. El objetivo es tener en cuenta los aspectos que diferencian a cada usuario, de tal manera que el sistema pueda ofrecer a cada uno de ellos el servicio más apropiado (o un mismo servicio, pero de la manera más adecuada a cada usuario). Podemos considerar esta estrategia como una contextualización dependiente del usuario. En este trabajo proponemos la definición de un modelo de usuario que contenga toda la información relativa a cada usuario, que pueda ser potencialmente utilizada por el sistema en un momento determinado de la interacción. En particular, analizaremos aquellas acciones que cada usuario decide ejecutar a lo largo de sus diálogos con el sistema. Nuestro objetivo es determinar cuáles de dichas acciones se convierten en las preferencias de cada usuario. La información de cada usuario quedará representada mediante un vector de características, cada una de las cuales tendrá asociado un valor de confianza. Con ambos elementos proponemos una definición probabilística de una preferencia de uso, como aquella acción cuya verosimilitud es mayor que la del resto de acciones solicitadas por el usuario. A fin de incluir la información dependiente de usuario en el flujo de diálogo, llevamos a cabo una modificación de las estructuras de información en las que se apoya el gestor de diálogo para recuperar información necesaria para resolver ciertos diálogos. En dicha modificación las preferencias de cada usuario pasarán a ser una fuente adicional de información contextual, que será tenida en cuenta por el sistema en aras de una interacción más eficiente (puesto que la nueva fuente de información contribuirá a reducir la necesidad del sistema de solicitar al usuario información adicional, dando lugar en consecuencia a una reducción del número de intervenciones necesarias para llevar a cabo una acción determinada). Para determinar los beneficios de las aplicaciones del marco de contextualización propuesto, llevamos a cabo una evaluación de un sistema de diálogo que incluye las estrategias mencionadas. Hemos recogido diversas métricas, tanto objetivas como subjetivas, que nos permiten determinar las mejoras aportadas por un sistema contextualizado en comparación con el sistema sin contextualizar. De igual manera, hemos recogido las opiniones de los participantes en la evaluación acerca de su percepción del comportamiento del sistema, y de su capacidad de adaptación a las condiciones concretas de cada interacción.

Solving SAT in linear time with a neural-like membrane system

We present in this paper a neural-like membrane system solving the SAT problem in linear time. These neural Psystems are nets of cells working with multisets. Each cell has a finite state memory, processes multisets of symbol-impulses, and can send impulses (?excitations?) to the neighboring cells. The maximal mode of rules application and the replicative mode of communication between cells are at the core of the eficiency of these systems.

Shaking table tests of structures with hysteretic dampers: experimental results vs. prediction using non-linear static methods

The use of seismic hysteretic dampers for passive control is increasing exponentially in recent years for both new and existing buildings. In order to utilize hysteretic dampers within a structural system, it is of paramount importance to have simplified design procedures based upon knowledge gained from theoretical studies and validated with experimental results. Non-linear Static Procedures (NSPs) are presented as an alternative to the force-based methods more common nowadays. The application of NSPs to conventional structures has been well established; yet there is a lack of experimental information on how NSPs apply to systems with hysteretic dampers. In this research, several shaking table tests were conducted on two single bay and single story 1:2 scale structures with and without hysteretic dampers. The maximum response of the structure with dampers in terms of lateral displacement and base shear obtained from the tests was compared with the prediction provided by three well-known NSPs: (1) the improved version of the Capacity Spectrum Method (CSM) from FEMA 440; (2) the improved version of the Displacement Coefficient Method (DCM) from FEMA 440; and (3) the N2 Method implemented in Eurocode 8. In general, the improved version of the DCM and N2 methods are found to provide acceptable accuracy in prediction, but the CSM tends to underestimate the response.

A new approach to fuzzy estimation of Takagi-Sugeno model and its applications to optimal control for nonlinear systems

An efficient approach is presented to improve the local and global approximation and modelling capability of Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy model. The main aim is obtaining high function approximation accuracy. The main problem is that T-S identification method cannot be applied when the membership functions are overlapped by pairs. This restricts the use of the T-S method because this type of membership function has been widely used during the last two decades in the stability, controller design and are popular in industrial control applications. The approach developed here can be considered as a generalized version of T-S method with optimized performance in approximating nonlinear functions. A simple approach with few computational effort, based on the well known parameters' weighting method is suggested for tuning T-S parameters to improve the choice of the performance index and minimize it. A global fuzzy controller (FC) based Linear Quadratic Regulator (LQR) is proposed in order to show the effectiveness of the estimation method developed here in control applications. Illustrative examples of an inverted pendulum and Van der Pol system are chosen to evaluate the robustness and remarkable performance of the proposed method and the high accuracy obtained in approximating nonlinear and unstable systems locally and globally in comparison with the original T-S model. Simulation results indicate the potential, simplicity and generality of the algorithm.

Effect of soiling in CPV systems

The effect of soiling in flat PV modules has been already studied, causing a reduction of the electrical output of 4% on average. For CPV's, as far as soiling produces light scattering at the optical collector surface, the scattered rays should be definitively lost because they cannot be focused onto the receivers again. While the theoretical study becomes difficult because soiling is variable at different sites, it becomes easier to begin the monitoring of the real field performance of concentrators and then raise the following question: how much does the soiling affect to PV concentrators in comparison with flat panels?? The answers allow to predict the PV concentrator electrical performance and to establish a pattern of cleaning frequency. Some experiments have been conducted at the IES-UPM and CSES-ANU sites, consisting in linear reflective concentration systems, a point focus refractive concentrator and a flat module. All the systems have been measured when soiled and then after cleaning, achieving different increases of ISC. In general, results show that CPV systems are more sensitive to soiling than flat panels, accumulating losses in ISC of about 14% on average in three different tests conducted at IESUPM and CSES-ANU test sites in Madrid (Spain) and Canberra (Australia). Some concentrators can reach losses up to 26% when the system is soiled for 4 months of exposure.

Free-form optical systems for nonimaging applications : Sistemas ópticos anamórficos para aplicaciones anidólicas

La óptica anidólica es una rama de la óptica cuyo desarrollo comenzó a mediados de la década de 1960. Este relativamente nuevo campo de la óptica se centra en la transferencia eficiente de la luz, algo necesario en muchas aplicaciones, entre las que destacamos los concentradores solares y los sistemas de iluminación. Las soluciones de la óptica clásica a los problemas de la transferencia de energía de la luz sólo son adecuadas cuando los rayos de luz son paraxiales. La condición paraxial no se cumple en la mayoría de las aplicaciones para concentración e iluminación. Esta tesis contiene varios diseños free-form (aquellos que no presentan ninguna simetría, ni de rotación ni lineal) cuyas aplicaciones van destinadas a estos dos campos. El término nonimaging viene del hecho de que estos sistemas ópticos no necesitan formar una imagen del objeto, aunque no formar la imagen no es una condición necesaria. Otra palabra que se utiliza a veces en lugar de nonimaging es la palabra anidólico, viene del griego "an+eidolon" y tiene el mismo significado. La mayoría de los sistemas ópticos diseñados para aplicaciones anidólicas no presentan ninguna simetría, es decir, son free-form (anamórficos). Los sistemas ópticos free-form están siendo especialmente relevantes durante los últimos años gracias al desarrollo de las herramientas para su fabricación como máquinas de moldeo por inyección y el mecanizado multieje. Sin embargo, solo recientemente se han desarrollado técnicas de diseño anidólicas capaces de cumplir con estos grados de libertad. En aplicaciones de iluminación el método SMS3D permite diseñar dos superficies free-form para controlar las fuentes de luz extensas. En los casos en que se requiere una elevada asimetría de la fuente, el objeto o las restricciones volumétricos, las superficies free-form permiten obtener soluciones de mayor eficiencia, o disponer de menos elementos en comparación con las soluciones de simetría de rotación, dado que las superficies free-form tienen más grados de libertad y pueden realizar múltiples funciones debido a su naturaleza anamórfica. Los concentradores anidólicos son muy adecuados para la captación de energía solar, ya que el objetivo no es la reproducción de una imagen exacta del sol, sino sencillamente la captura de su energía. En este momento, el campo de la concentración fotovoltaica (CPV) tiende hacia sistemas de alta concentración con el fin de compensar el gasto de las células solares multi-unión (MJ) utilizadas como receptores, reduciendo su área. El interés en el uso de células MJ radica en su alta eficiencia de conversión. Para obtener sistemas competitivos en aplicaciones terrestres se recurre a sistemas fotovoltaicos de alta concentración (HCPV), con factores de concentración geométrica por encima de 500x. Estos sistemas se componen de dos (o más) elementos ópticos (espejos y/o lentes). En los sistemas presentados a lo largo de este trabajo se presentan ejemplos de concentradores HCPV con elementos reflexivos como etapa primaria, así como concentradores con elementos refractivos (lente de Fresnel). Con la necesidad de aumentar la eficiencia de los sistemas HCPV reales y con el fin de proporcionar la división más eficiente del espectro solar, células conteniendo cuatro o más uniones (con un potencial de alcanzar eficiencias de más del 45% a una concentración de cientos de soles) se exploran hoy en día. En esta tesis se presenta una de las posibles arquitecturas de división del espectro (spectrum-splitting en la literatura anglosajona) que utilizan células de concentración comercial. Otro campo de aplicación de la óptica nonimaging es la iluminación, donde es necesario proporcionar un patrón de distribución de la iluminación específico. La iluminación de estado sólido (SSL), basada en la electroluminiscencia de materiales semiconductores, está proporcionando fuentes de luz para aplicaciones de iluminación general. En la última década, los diodos emisores de luz (LED) de alto brillo han comenzado a reemplazar a las fuentes de luz convencionales debido a la superioridad en la calidad de la luz emitida, elevado tiempo de vida, compacidad y ahorro de energía. Los colimadores utilizados con LEDs deben cumplir con requisitos tales como tener una alta eficiencia, un alto control del haz de luz, una mezcla de color espacial y una gran compacidad. Presentamos un colimador de luz free-form con microestructuras capaz de conseguir buena colimación y buena mezcla de colores con una fuente de LED RGGB. Una buena mezcla de luz es importante no sólo para simplificar el diseño óptico de la luminaria sino también para evitar hacer binning de los chips. La mezcla de luz óptica puede reducir los costes al evitar la modulación por ancho de pulso y otras soluciones electrónicas patentadas para regulación y ajuste de color. Esta tesis consta de cuatro capítulos. Los capítulos que contienen la obra original de esta tesis son precedidos por un capítulo introductorio donde se presentan los conceptos y definiciones básicas de la óptica geométrica y en el cual se engloba la óptica nonimaging. Contiene principios de la óptica no formadora de imagen junto con la descripción de sus problemas y métodos de diseño. Asimismo se describe el método de Superficies Múltiples Simultáneas (SMS), que destaca por su versatilidad y capacidad de controlar varios haces de rayos. Adicionalmente también se describe la integración Köhler y sus aplicaciones en el campo de la energía fotovoltaica. La concentración fotovoltaica y la iluminación de estado sólido son introducidas junto con la revisión de su estado actual. El Segundo y Tercer Capítulo contienen diseños ópticos avanzados con aplicación en la concentración solar principalmente, mientras que el Cuarto Capítulo describe el colimador free-form con surcos que presenta buena mezcla de colores para aplicaciones de iluminación. El Segundo Capítulo describe dos concentradores ópticos HCPV diseñados con el método SMS en tres dimensiones (SMS3D) que llevan a cabo integración Köhler en dos direcciones con el fin de proporcionar una distribución de irradiancia uniforme libre de aberraciones cromáticas sobre la célula solar. Uno de los diseños es el concentrador XXR free-form diseñado con el método SMS3D, donde el espejo primario (X) y la lente secundaria (R) se dividen en cuatro sectores simétricos y llevan a cabo la integración Köhler (proporcionando cuatro unidades del array Köhler), mientras que el espejo intermedio (X) presenta simetría rotacional. Otro concentrador HCPV presentado es el Fresnel-RXI (FRXI) con una lente de Fresnel funcionando como elemento primario (POE) y una lente RXI como elemento óptico secundario (SOE), que presenta configuración 4-fold con el fin de realizar la integración Köhler. Las lentes RXI son dispositivos nonimaging conocidos, pero su aplicación como elemento secundario es novedosa. Los concentradores XXR y FRXI Köhler son ejemplos académicos de muy alta concentración (más de 2,000x, mientras que los sistemas convencionales hoy en día no suelen llegar a 1,000x) preparados para las células solares N-unión (con N>3), que probablemente requerirán una mayor concentración y alta uniformidad espectral de irradiancia con el fin de obtener sistemas CPV terrestres eficientes y rentables. Ambos concentradores están diseñados maximizando funciones de mérito como la eficiencia óptica, el producto concentración-aceptancia (CAP) y la uniformidad de irradiancia sobre la célula libre de la aberración cromática (integración Köhler). El Tercer Capítulo presenta una arquitectura para la división del espectro solar basada en un módulo HCPV con alta concentración (500x) y ángulo de aceptancia alto (>1º) que tiene por objeto reducir ambas fuentes de pérdidas de las células triple unión (3J) comerciales: el uso eficiente del espectro solar y la luz reflejada de los contactos metálicos y de la superficie de semiconductor. El módulo para la división del espectro utiliza el espectro solar más eficiente debido a la combinación de una alta eficiencia de una célula de concentración 3J (GaInP/GaInAs/Ge) y una de contacto posterior (BPC) de concentración de silicio (Si), así como la técnica de confinamiento externo para la recuperación de la luz reflejada por la célula 3J con el fin de ser reabsorbida por la célula. En la arquitectura propuesta, la célula 3J opera con su ganancia de corriente optimizada (concentración geométrica de 500x), mientras que la célula de silicio trabaja cerca de su óptimo también (135x). El módulo de spectrum-splitting consta de una lente de Fresnel plana como POE y un concentrador RXI free-form como SOE con un filtro paso-banda integrado en él. Tanto POE como SOE realizan la integración Köhler para producir homogeneización de luz sobre la célula. El filtro paso banda envía los fotones IR en la banda 900-1,150nm a la célula de silicio. Hay varios aspectos prácticos de la arquitectura del módulo presentado que ayudan a reducir la complejidad de los sistemas spectrum-splitting (el filtro y el secundario forman una sola pieza sólida, ambas células son coplanarias simplificándose el cableado y la disipación de calor, etc.). Prototipos prueba-de-concepto han sido ensamblados y probados a fin de demostrar la fabricabilidad del filtro y su rendimiento cuando se combina con la técnica de reciclaje de luz externa. Los resultados obtenidos se ajustan bastante bien a los modelos y a las simulaciones e invitan al desarrollo de una versión más compleja de este prototipo en el futuro. Dos colimadores sólidos con surcos free-form se presentan en el Cuarto Capítulo. Ambos diseños ópticos están diseñados originalmente usando el método SMS3D. La segunda superficie ópticamente activa está diseñada a posteriori como una superficie con surcos. El diseño inicial de dos espejos (XX) está diseñado como prueba de concepto. En segundo lugar, el diseño RXI free-form es comparable con los colimadores RXI existentes. Se trata de un diseño muy compacto y eficiente que proporciona una muy buena mezcla de colores cuando funciona con LEDs RGB fuera del eje óptico como en los RGB LEDs convencionales. Estos dos diseños son dispositivos free-form diseñados con la intención de mejorar las propiedades de mezcla de colores de los dispositivos no aplanáticos RXI con simetría de revolución y la eficiencia de los aplanáticos, logrando una buena colimación y una buena mezcla de colores. La capacidad de mezcla de colores del dispositivo no-aplanático mejora añadiendo características de un aplanático a su homólogo simétrico sin pérdida de eficiencia. En el caso del diseño basado en RXI, su gran ventaja consiste en su menor coste de fabricación ya que el proceso de metalización puede evitarse. Aunque algunos de los componentes presentan formas muy complejas, los costes de fabricación son relativamente insensibles a la complejidad del molde, especialmente en el caso de la producción en masa (tales como inyección de plástico), ya que el coste del molde se reparte entre todas las piezas fabricadas. Por último, las últimas dos secciones son las conclusiones y futuras líneas de investigación. ABSTRACT Nonimaging optics is a branch of optics whose development began in the mid-1960s. This rather new field of optics focuses on the efficient light transfer necessary in many applications, among which we highlight solar concentrators and illumination systems. The classical optics solutions to the problems of light energy transfer are only appropriate when the light rays are paraxial. The paraxial condition is not met in most applications for the concentration and illumination. This thesis explores several free-form designs (with neither rotational nor linear symmetry) whose applications are intended to cover the above mentioned areas and more. The term nonimaging comes from the fact that these optical systems do not need to form an image of the object, although it is not a necessary condition not to form an image. Another word sometimes used instead of nonimaging is anidolic, and it comes from the Greek “an+eidolon” and has the same meaning. Most of the optical systems designed for nonimaging applications are without any symmetry, i.e. free-form. Free-form optical systems become especially relevant lately with the evolution of free-form tooling (injection molding machines, multi-axis machining techniques, etc.). Nevertheless, only recently there are nonimaging design techniques that are able to meet these degrees of freedom. In illumination applications, the SMS3D method allows designing two free-form surfaces to control very well extended sources. In cases when source, target or volumetric constrains have very asymmetric requirements free-form surfaces are offering solutions with higher efficiency or with fewer elements in comparison with rotationally symmetric solutions, as free-forms have more degrees of freedom and they can perform multiple functions due to their free-form nature. Anidolic concentrators are well suited for the collection of solar energy, because the goal is not the reproduction of an exact image of the sun, but instead the collection of its energy. At this time, Concentration Photovoltaics (CPV) field is turning to high concentration systems in order to compensate the expense of multi-junction (MJ) solar cells used as receivers by reducing its area. Interest in the use of MJ cells lies in their very high conversion efficiency. High Concentration Photovoltaic systems (HCPV) with geometric concentration of more than 500x are required in order to have competitive systems in terrestrial applications. These systems comprise two (or more) optical elements, mirrors and/or lenses. Systems presented in this thesis encompass both main types of HCPV architectures: concentrators with primary reflective element and concentrators with primary refractive element (Fresnel lens). Demand for the efficiency increase of the actual HCPV systems as well as feasible more efficient partitioning of the solar spectrum, leads to exploration of four or more junction solar cells or submodules. They have a potential of reaching over 45% efficiency at concentration of hundreds of suns. One possible architectures of spectrum splitting module using commercial concentration cells is presented in this thesis. Another field of application of nonimaging optics is illumination, where a specific illuminance distribution pattern is required. The Solid State Lighting (SSL) based on semiconductor electroluminescence provides light sources for general illumination applications. In the last decade high-brightness Light Emitting Diodes (LEDs) started replacing conventional light sources due to their superior output light quality, unsurpassed lifetime, compactness and energy savings. Collimators used with LEDs have to meet requirements like high efficiency, high beam control, color and position mixing, as well as a high compactness. We present a free-form collimator with microstructures that performs good collimation and good color mixing with RGGB LED source. Good light mixing is important not only for simplifying luminaire optical design but also for avoiding die binning. Optical light mixing may reduce costs by avoiding pulse-width modulation and other patented electronic solutions for dimming and color tuning. This thesis comprises four chapters. Chapters containing the original work of this thesis are preceded by the introductory chapter that addresses basic concepts and definitions of geometrical optics on which nonimaging is developed. It contains fundamentals of nonimaging optics together with the description of its design problems, principles and methods, and with the Simultaneous Multiple Surface (SMS) method standing out for its versatility and ability to control several bundles of rays. Köhler integration and its applications in the field of photovoltaics are described as well. CPV and SSL fields are introduced together with the review on their background and their current status. Chapter 2 and Chapter 3 contain advanced optical designs with primarily application in solar concentration; meanwhile Chapter 4 portrays the free-form V-groove collimator with good color mixing property for illumination application. Chapter 2 describes two HCPV optical concentrators designed with the SMS method in three dimensions (SMS3D). Both concentrators represent Köhler integrator arrays that provide uniform irradiance distribution free from chromatic aberrations on the solar cell. One of the systems is the XXR free-form concentrator designed with the SMS3D method. The primary mirror (X) of this concentrator and secondary lens (R) are divided in four symmetric sectors (folds) that perform Köhler integration; meanwhile the intermediate mirror (X) is rotationally symmetric. Second HCPV concentrator is the Fresnel-RXI (FRXI) with flat Fresnel lens as the Primary Optical Element (POE) and an RXI lens as the Secondary Optical Element (SOE). This architecture manifests 4-fold configuration for performing Köhler integration (4 array units), as well. The RXI lenses are well-known nonimaging devices, but their application as SOE is novel. Both XXR and FRXI Köhler HCPV concentrators are academic examples of very high concentration (more than 2,000x meanwhile conventional systems nowadays have up to 1,000x) prepared for the near future N-junction (N>3) solar cells. In order to have efficient and cost-effective terrestrial CPV systems, those cells will probably require higher concentrations and high spectral irradiance uniformity. Both concentrators are designed by maximizing merit functions: the optical efficiency, concentration-acceptance angle (CAP) and cell-irradiance uniformity free from chromatic aberrations (Köhler integration). Chapter 3 presents the spectrum splitting architecture based on a HCPV module with high concentration (500x) and high acceptance angle (>1º). This module aims to reduce both sources of losses of the actual commercial triple-junction (3J) solar cells with more efficient use of the solar spectrum and with recovering the light reflected from the 3J cells’ grid lines and semiconductor surface. The solar spectrum is used more efficiently due to the combination of a high efficiency 3J concentration cell (GaInP/GaInAs/Ge) and external Back-Point-Contact (BPC) concentration silicon (Si) cell. By employing external confinement techniques, the 3J cell’s reflections are recovered in order to be re-absorbed by the cell. In the proposed concentrator architecture, the 3J cell operates at its optimized current gain (at geometrical concentration of 500x), while the Si cell works near its optimum, as well (135x). The spectrum splitting module consists of a flat Fresnel lens (as the POE), and a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it (as the SOE), both POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization. The band-pass filter sends the IR photons in the 900-1,150nm band to the Si cell. There are several practical aspects of presented module architecture that help reducing the added complexity of the beam splitting systems: the filter and secondary are forming a single solid piece, both cells are coplanar so the heat management and wiring is simplified, etc. Two proof-of-concept prototypes are assembled and tested in order to prove filter manufacturability and performance, as well as the potential of external light recycling technique. Obtained measurement results agree quite well with models and simulations, and show an opened path to manufacturing of the Fresnel RXI-type secondary concentrator with spectrum splitting strategy. Two free-form solid V-groove collimators are presented in Chapter 4. Both free-form collimators are originally designed with the SMS3D method. The second mirrored optically active surface is converted in a grooved surface a posteriori. Initial two mirror (XX) design is presented as a proof-of-concept. Second, RXI free-form design is comparable with existing RXI collimators as it is a highly compact and a highly efficient design. It performs very good color mixing of the RGGB LED sources placed off-axis like in conventional RGB LEDs. Collimators described here improve color mixing property of the prior art rotationally symmetric no-aplanatic RXI devices, and the efficiency of the aplanatic ones, accomplishing both good collimation and good color mixing. Free-form V-groove collimators enhance the no-aplanatic device's blending capabilities by adding aplanatic features to its symmetric counterpart with no loss in efficiency. Big advantage of the RXI design is its potentially lower manufacturing cost, since the process of metallization may be avoided. Although some components are very complicated for shaping, the manufacturing costs are relatively insensitive to the complexity of the mold especially in the case of mass production (such as plastic injection), as the cost of the mold is spread in many parts. Finally, last two sections are conclusions and future lines of investigation.

Optimal polygonal L1 linearization and fast interpolation of nonlinear systems

The analysis of complex nonlinear systems is often carried out using simpler piecewise linear representations of them. A principled and practical technique is proposed to linearize and evaluate arbitrary continuous nonlinear functions using polygonal (continuous piecewise linear) models under the L1 norm. A thorough error analysis is developed to guide an optimal design of two kinds of polygonal approximations in the asymptotic case of a large budget of evaluation subintervals N. The method allows the user to obtain the level of linearization (N) for a target approximation error and vice versa. It is suitable for, but not limited to, an efficient implementation in modern Graphics Processing Units (GPUs), allowing real-time performance of computationally demanding applications. The quality and efficiency of the technique has been measured in detail on two nonlinear functions that are widely used in many areas of scientific computing and are expensive to evaluate.

Linear Bayes policy for learning in contextual-bandits

Machine and Statistical Learning techniques are used in almost all online advertisement systems. The problem of discovering which content is more demanded (e.g. receive more clicks) can be modeled as a multi-armed bandit problem. Contextual bandits (i.e., bandits with covariates, side information or associative reinforcement learning) associate, to each specific content, several features that define the “context” in which it appears (e.g. user, web page, time, region). This problem can be studied in the stochastic/statistical setting by means of the conditional probability paradigm using the Bayes’ theorem. However, for very large contextual information and/or real-time constraints, the exact calculation of the Bayes’ rule is computationally infeasible. In this article, we present a method that is able to handle large contextual information for learning in contextual-bandits problems. This method was tested in the Challenge on Yahoo! dataset at ICML2012’s Workshop “new Challenges for Exploration & Exploitation 3”, obtaining the second place. Its basic exploration policy is deterministic in the sense that for the same input data (as a time-series) the same results are obtained. We address the deterministic exploration vs. exploitation issue, explaining the way in which the proposed method deterministically finds an effective dynamic trade-off based solely in the input-data, in contrast to other methods that use a random number generator.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

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

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