Inference Models in DNA Computing

La computación molecular es una disciplina que se ocupa del diseño e implementación de dispositivos para el procesamiento de información sobre un sustrato biológico, como el ácido desoxirribonucleico (ADN), el ácido ribonucleico (ARN) o las proteínas. Desde que Watson y Crick descubrieron en los años cincuenta la estructura molecular del ADN en forma de doble hélice, se desencadenaron otros descubrimientos, como las enzimas de restricción o la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), contribuyendo de manera determinante a la irrupción de la tecnología del ADN recombinante. Gracias a esta tecnología y al descenso vertiginoso de los precios de secuenciación y síntesis del ADN, la computación biomolecular pudo abandonar su concepción puramente teórica. El trabajo presentado por Adleman (1994) logró resolver un problema de computación NP-completo (El Problema del Camino de Hamilton dirigido) utilizando únicamente moléculas de ADN. La gran capacidad de procesamiento en paralelo ofrecida por las técnicas del ADN recombinante permitió a Adleman ser capaz de resolver dicho problema en tiempo polinómico, aunque a costa de un consumo exponencial de moléculas de ADN. Utilizando algoritmos de fuerza bruta similares al utilizado por Adleman se logró resolver otros problemas NP-completos, como por ejemplo el de Satisfacibilidad de Fórmulas Lógicas / SAT (Lipton, 1995). Pronto se comprendió que la computación biomolecular no podía competir en velocidad ni precisión con los ordenadores de silicio, por lo que su enfoque y objetivos se centraron en la resolución de problemas con aplicación biomédica (Simmel, 2007), dejando de lado la resolución de problemas clásicos de computación. Desde entonces se han propuesto diversos modelos de dispositivos biomoleculares que, de forma autónoma (sin necesidad de un bio-ingeniero realizando operaciones de laboratorio), son capaces de procesar como entrada un sustrato biológico y proporcionar una salida también en formato biológico: procesadores que aprovechan la extensión de la polimerasa (Hagiya et al., 1997), autómatas que funcionan con enzimas de restricción (Benenson et al., 2001) o con deoxiribozimas (Stojanovic et al., 2002), o circuitos de hibridación competitiva (Yurke et al., 2000). Esta tesis presenta un conjunto de modelos de dispositivos de ácidos nucleicos capaces de implementar diversas operaciones de computación lógica aprovechando técnicas de computación biomolecular (hibridación competitiva del ADN y reacciones enzimáticas) con aplicaciones en diagnóstico genético. El primer conjunto de modelos, presentados en el Capítulo 5 y publicados en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012b), Rodríguez-Patón et al. (2010a) y Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2010), define un tipo de biosensor que usa hebras simples de ADN para codificar reglas sencillas, como por ejemplo "SI hebra-ADN-1 Y hebra-ADN-2 presentes, ENTONCES enfermedad-B". Estas reglas interactúan con señales de entrada (ADN o ARN de cualquier tipo) para producir una señal de salida (también en forma de ácido nucleico). Dicha señal de salida representa un diagnóstico, que puede medirse mediante partículas fluorescentes técnicas FRET) o incluso ser un tratamiento administrado en respuesta a un conjunto de síntomas. El modelo presentado en el Capítulo 5, publicado en Rodríguez-Patón et al. (2011), es capaz de ejecutar cadenas de resolución sobre fórmulas lógicas en forma normal conjuntiva. Cada cláusula de una fórmula se codifica en una molécula de ADN. Cada proposición p se codifica asignándole una hebra simple de ADN, y la correspondiente hebra complementaria a la proposición ¬p. Las cláusulas se codifican incluyendo distintas proposiciones en la misma hebra de ADN. El modelo permite ejecutar programas lógicos de cláusulas Horn aplicando múltiples iteraciones de resolución en cascada, con el fin de implementar la función de un nanodispositivo autónomo programable. Esta técnica también puede emplearse para resolver SAP sin ayuda externa. El modelo presentado en el Capítulo 6 se ha publicado en publicado en Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón (2012c), y el modelo presentado en el Capítulo 7 se ha publicado en (Sainz de Murieta and Rodríguez-Patón, 2013c). Aunque explotan métodos de computación biomolecular diferentes (hibridación competitiva de ADN en el Capítulo 6 frente a reacciones enzimáticas en el 7), ambos modelos son capaces de realizar inferencia Bayesiana. Funcionan tomando hebras simples de ADN como entrada, representando la presencia o la ausencia de un indicador molecular concreto (una evidencia). La probabilidad a priori de una enfermedad, así como la probabilidad condicionada de una señal (o síntoma) dada la enfermedad representan la base de conocimiento, y se codifican combinando distintas moléculas de ADN y sus concentraciones relativas. Cuando las moléculas de entrada interaccionan con las de la base de conocimiento, se liberan dos clases de hebras de ADN, cuya proporción relativa representa la aplicación del teorema de Bayes: la probabilidad condicionada de la enfermedad dada la señal (o síntoma). Todos estos dispositivos pueden verse como elementos básicos que, combinados modularmente, permiten la implementación de sistemas in vitro a partir de sensores de ADN, capaces de percibir y procesar señales biológicas. Este tipo de autómatas tienen en la actualidad una gran potencial, además de una gran repercusión científica. Un perfecto ejemplo fue la publicación de (Xie et al., 2011) en Science, presentando un autómata biomolecular de diagnóstico capaz de activar selectivamente el proceso de apoptosis en células cancerígenas sin afectar a células sanas.

Análisis de la viabilidad técnica de las aerobombas para el riego localizado

Actualmente la agricultura cubana, por ser un sector estratégico en la economía del país, incorpora en su desarrollo y gestión las energías renovables como criterio básico para su viabilidad futura. Sin embargo existen un número de problemas que limitan el desarrollo de estas fuentes energéticas en Cuba, entre los que se encuentran el conocimiento incompleto de su potencial de utilización. Por esta razón, la presente investigación tiene como objetivo la maximización de la superficie regada de un cultivo dado y la determinación del volumen de regulación mínimo, usando una aerobomba tipo, en condiciones ambientales dadas. Se desarrolla una metodología para predecir la máxima potencialidad de las aerobombas para un sistema de riego localizado, basada en el cálculo del balance diario entre las necesidades de agua del cultivo y la disponibilidad de agua. Mediante un ejemplo que ilustra el uso de esta metodología en el cultivo de tomate (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) bajo invernadero en Ciego de Ávila, Cuba, se hace una descripción de los elementos de la instalación propuesta para el suministro de agua por parte de la aerobomba. Se estudiaron varios factores, tales como la serie de velocidad del viento trihoraria ( h V3 , m s-1) para un año medio de viento y para un año medio de poco viento; el caudal suministrado por la aerobomba en función de la altura de elevación ( H , m); y la evapotranspiración diaria del cultivo en invernadero en función de la fecha de siembra. A partir de los factores mencionados se determinaron los volúmenes de agua mensuales necesarios para el riego ( r D , m3 ha-1), la capacidad del depósito de almacenamiento ( dep. V , m3), así como las áreas máximas regables ( r A , ha) para cada variante. Los resultados muestran que el período óptimo de bombeo eólico para el riego del cultivo de tomate en invernadero bajo las condiciones ambientales estudiadas es de noviembre a febrero, y que los factores que más influyen en la superficie que se puede regar con el bombeo eólico son la fecha de plantación y el volumen de depósito. Abstract Currently Cuban agriculture, as a strategic sector in the economy of the country, incorporates in its development and renewable energy management as a basic criterion for its future viability. However, there are a number of problems that limit the development of these energy sources in Cuba, among which are the incomplete knowledge of their potential use. For this reason, this research aims at maximizing the irrigated area of a given culture and determination of minimum control volume, using a type Windpump in given environmental conditions. We develop a methodology to predict the maximum potential of windmills for irrigation system, based on the daily balance calculation between the crop water needs and water availability. Through an example that illustrates the use of this methodology in the cultivation of tomato (Solanum lycopersicum L. var. FL - 5) under greenhouse in Ciego de Avila, Cuba, is a description of the elements of the proposed facility to supply water from the windmill. We studied several factors such as the number of trihoraria wind speed ( h V3 , m s- 1) for an average wind year and an average year with little wind, the flow supplied by the windmill depending on the lift height ( H , m) and daily crop evapotranspiration in greenhouse based on planting date. From the above factors were determined monthly water volumes needed for irrigation ( r D , m3 ha-1), the storage tank capacity ( dep. V , m3) and peak areas irrigated ( r A , ha) for each variant. The results show that the optimal period wind pumping for irrigation of greenhouse tomato crop under the environmental conditions studied is from November to February, and that the factors that influence the surface that can be irrigated with wind pumping are planting date and amount of deposit.

Arquitectura de Control para la Conducción Autónoma de Vehículos en Entornos Urbanos y Autovías

Hoy en día, el desarrollo tecnológico en el campo de los sistemas inteligentes de transporte (ITS por sus siglas en inglés) ha permitido dotar a los vehículos con diversos sistemas de ayuda a la conducción (ADAS, del inglés advanced driver assistance system), mejorando la experiencia y seguridad de los pasajeros, en especial del conductor. La mayor parte de estos sistemas están pensados para advertir al conductor sobre ciertas situaciones de riesgo, como la salida involuntaria del carril o la proximidad de obstáculos en el camino. No obstante, también podemos encontrar sistemas que van un paso más allá y son capaces de cooperar con el conductor en el control del vehículo o incluso relegarlos de algunas tareas tediosas. Es en este último grupo donde se encuentran los sistemas de control electrónico de estabilidad (ESP - Electronic Stability Program), el antibloqueo de frenos (ABS - Anti-lock Braking System), el control de crucero (CC - Cruise Control) y los más recientes sistemas de aparcamiento asistido. Continuando con esta línea de desarrollo, el paso siguiente consiste en la supresión del conductor humano, desarrollando sistemas que sean capaces de conducir un vehículo de forma autónoma y con un rendimiento superior al del conductor. En este trabajo se presenta, en primer lugar, una arquitectura de control para la automatización de vehículos. Esta se compone de distintos componentes de hardware y software, agrupados de acuerdo a su función principal. El diseño de la arquitectura parte del trabajo previo desarrollado por el Programa AUTOPIA, aunque introduce notables aportaciones en cuanto a la eficiencia, robustez y escalabilidad del sistema. Ahondando un poco más en detalle, debemos resaltar el desarrollo de un algoritmo de localización basado en enjambres de partículas. Este está planteado como un método de filtrado y fusión de la información obtenida a partir de los distintos sensores embarcados en el vehículo, entre los que encontramos un receptor GPS (Global Positioning System), unidades de medición inercial (IMU – Inertial Measurement Unit) e información tomada directamente de los sensores embarcados por el fabricante, como la velocidad de las ruedas y posición del volante. Gracias a este método se ha conseguido resolver el problema de la localización, indispensable para el desarrollo de sistemas de conducción autónoma. Continuando con el trabajo de investigación, se ha estudiado la viabilidad de la aplicación de técnicas de aprendizaje y adaptación al diseño de controladores para el vehículo. Como punto de partida se emplea el método de Q-learning para la generación de un controlador borroso lateral sin ningún tipo de conocimiento previo. Posteriormente se presenta un método de ajuste on-line para la adaptación del control longitudinal ante perturbaciones impredecibles del entorno, como lo son los cambios en la inclinación del camino, fricción de las ruedas o peso de los ocupantes. Para finalizar, se presentan los resultados obtenidos durante un experimento de conducción autónoma en carreteras reales, el cual se llevó a cabo en el mes de Junio de 2012 desde la población de San Lorenzo de El Escorial hasta las instalaciones del Centro de Automática y Robótica (CAR) en Arganda del Rey. El principal objetivo tras esta demostración fue validar el funcionamiento, robustez y capacidad de la arquitectura propuesta para afrontar el problema de la conducción autónoma, bajo condiciones mucho más reales a las que se pueden alcanzar en las instalaciones de prueba. ABSTRACT Nowadays, the technological advances in the Intelligent Transportation Systems (ITS) field have led the development of several driving assistance systems (ADAS). These solutions are designed to improve the experience and security of all the passengers, especially the driver. For most of these systems, the main goal is to warn drivers about unexpected circumstances leading to risk situations such as involuntary lane departure or proximity to other vehicles. However, other ADAS go a step further, being able to cooperate with the driver in the control of the vehicle, or even overriding it on some tasks. Examples of this kind of systems are the anti-lock braking system (ABS), cruise control (CC) and the recently commercialised assisted parking systems. Within this research line, the next step is the development of systems able to replace the human drivers, improving the control and therefore, the safety and reliability of the vehicles. First of all, this dissertation presents a control architecture design for autonomous driving. It is made up of several hardware and software components, grouped according to their main function. The design of this architecture is based on the previous works carried out by the AUTOPIA Program, although notable improvements have been made regarding the efficiency, robustness and scalability of the system. It is also remarkable the work made on the development of a location algorithm for vehicles. The proposal is based on the emulation of the behaviour of biological swarms and its performance is similar to the well-known particle filters. The developed method combines information obtained from different sensors, including GPS, inertial measurement unit (IMU), and data from the original vehicle’s sensors on-board. Through this filtering algorithm the localization problem is properly managed, which is critical for the development of autonomous driving systems. The work deals also with the fuzzy control tuning system, a very time consuming task when done manually. An analysis of learning and adaptation techniques for the development of different controllers has been made. First, the Q-learning –a reinforcement learning method– has been applied to the generation of a lateral fuzzy controller from scratch. Subsequently, the development of an adaptation method for longitudinal control is presented. With this proposal, a final cruise control controller is able to deal with unpredictable environment disturbances, such as road slope, wheel’s friction or even occupants’ weight. As a testbed for the system, an autonomous driving experiment on real roads is presented. This experiment was carried out on June 2012, driving from San Lorenzo de El Escorial up to the Center for Automation and Robotics (CAR) facilities in Arganda del Rey. The main goal of the demonstration was validating the performance, robustness and viability of the proposed architecture to deal with the problem of autonomous driving under more demanding conditions than those achieved on closed test tracks.

Túneles urbanos con ventilación longitudinal y trampillas de extracción de humos

La ventilacion de tuneles urbanos presenta algunos problemas singulares especialmente en lo relativo a la evacuacion de humos provocados por un incendio. Generalmente la solucion adoptada es semi-transversal con trampillas de extraccion. Sin embargo en ciertas circunstancias puede ser preciso combinar estas con un sistema longitudinal basado en aceleradores. En este articulo se presenta la primera realizacion de este tipo proyectada en Espana y se describe el sistema de calculo. Se han preparado programas de calculo que permiten el estudio del acoplamiento de la accion de los ventiladores y el trafico. El modelo de trafico utilizado es macroscopico y corresponde a las curvas clasica que relacionan la intensidad, densidad y velocidad. Se extraen conclusiones relativas a la filosofia de actuacion en caso de incendio. Se muestran ecuaciones utilizadas y los graficos con los resultados obtenidos.

Los riesgos de impactos y explosiones

Durante las últimas décadas, científicos e ingenieros han desarrollado un gran esfuerzo en la comprensión por los temas relacionados con el impacto entre cuerpos sólidos. La complejidad del desarrollo teórico y el desconocimiento acerca del comportamiento real de los materiales en problemas de carga rápida ha limitado tradicionalmente los problemas de impacto a geometrías muy concretas de los cuerpos incidentes, sin embargo, la evolución de la velocidad en los ordenadores y las mejoras en los métodos y elementos de instrumentación han aumentado el alcance y la fiabilidad de los datos experimentales y consecuentemente han sido un nuevo impulso en el estudio en este campo. El enfoque actual de las normativas basado en el análisis de riesgos permite la posibilidad de abordar la seguridad estructural a través de modelos explícitos, en los que las variables básicas del problema se definen de forma estadística y la seguridad se fija en función de probabilidades de fallo frente a los estados límite. Los métodos de fiabilidad estructural deben ser capaces de analizar toda la información estadística; es habitual el uso del método de Montecarlo, superficie de respuesta, estimaciones puntuales, nivel 11, etc. y en todos ellos es fundamental el conocimiento de un procedimiento determinista que permita evaluar el grado de cumplimiento de los estados límite. En ésta presentación se entra directamente en los modelos deterministas de cálculo, obviando el estudio estadístico más propio de un capítulo destinado a la fiabilidad estructural. Para ello, se han recogido unas ideas acerca de cómo se aborda el problema del impacto de una forma tradicional, se comienza con los choques elásticos e inelásticos de cuerpos rígidos. Los cuerpos rígidos dan paso a cuerpos elásticos donde la colisión genera una onda que recorre el cuerpo a una velocidad finita que se refleja en los contornos generando una vibración y en consecuencia una pérdida de energía en el choque. Posteriormente se abordará el impacto con materiales plásticos donde parte de la energía se transforma en la deformación permanente. Las explosiones pueden ser tratadas de forma análoga al impacto, ya que poseen la misma característica de cargas rápidas y son consideradas solicitaciones accidentales. La diferencia fundamental se centra en que los impactos requieren la existencia de dos cuerpos mientras que las explosiones sólo requieren un receptor y es el medio transmisor, generalmente el aire, quien transmite la solicitación mediante una onda de presión. En este artículo se comentan diferentes aspectos de la naturaleza de la solicitación y de su efecto sobre las estructuras.

Infraestructuras

En este capítulo se resume la evolución en los últimos 25 años de las infraestructuras relacionadas con presas, puertos, carreteras, ferrocarriles, aeropuertos y energía. En todos los casos se ha realizado previamente una presentación del contexto histórico hasta el último cuarto del siglo pasado. Debido a las limitaciones de espacio algunos temas como la infraestructura de investigación y desarrollo no han podido ser tratados. Las infraestructuras escogidas tienen en común su carácter movilizador de la actividad económica. En todas ellas la formación de técnicas se remonta a centros fundados en el siglo XIX aunque la organización de empresas competentes y poderosas debió esperar al siglo xx. La autarquía anterior a la llegada de la democracia explica la existencia o el tamaño de algunas de ellas así como su tímido desarrollo externo hacia países iberoamericanos o árabes que, sin embargo permitió ganar experiencia para empeños posteriores. A partir del régimen democrático y, especialmente tras la entrada en la Unión Europea, se experimenta una evolución técnica y una internacionalización decididamente apoyada por los sucesivos Gobiernos. Desde éstos no sólo se aplica un impulso político; también se plantean proyectos, se buscan fondos europeos, se establecen normativas coordinadas con la de la Unión, se crean o amplían grandes centros de investigación que se ponen en red con los europeos y se impulsa la participación en los programas de movilidad de investigadores jóvenes. En el ambiente universitario se favorecen las actividades de investigación y cooperación con la industria y también se apoya la incorporación de los centros a las redes de excelencia europeas. Las empresas por su parte son estimuladas a participar en el empeño internacional para lo que reorganizan su tamaño, se dotan de maquinaria adecuada y buscan una organización empresarial que les permita afrontar los nuevos retos tanto en cuanto a volumen de trabajo como a tecnificación. Esta última no viene dada tan sólo por el cambio de escala. Aparecen también nuevos materiales, nuevos desafíos, como la alta velocidad ferroviaria o las energías renovables, así como nuevas posibilidades para proyecto, construcción y explotación basadas en la informatización y control de procedimientos. Finalmente, frente a un enfoque a menudo puramente utilitario, surgen los nuevos paradigmas relacionados con la sostenibilidad del medio ambiente que han hecho variar numerosos conceptos en el proyecto de infraestructuras.

Desarrollo de Técnicas Interferométricas para Radares de Alta Resolución en Milimétricas

En esta tesis doctoral se aborda el desarrollo de técnicas interferométricas para radares de alta resolución en milimétricas. Específicamente, se centra en el desarrollo de técnicas para radares terrestres y en concreto aquellas relacionadas con el seguimiento, clasificación y generación de imágenes de blancos móviles. Aparte del desarrollo teórico y simulación de las diferentes técnicas, uno de los grandes retos de esta tesis es la verificación experimental de las mismas. Para este propósito, se empleará un prototipo de sensor radar interferométrico de muy alta resolución y de ondas milimétricas. El primer capítulo de la tesis realiza una pequeña introducción a las técnicas interferométricas y presenta los objetivos, motivación y organización del presente trabajo. El segundo capítulo hace una pequeña introducción a los radares interferométricos de alta resolución en milimétricas y presenta el sensor radar experimental con el que se llevarán a cabo la validación de las distintas técnicas presentadas. El tercer capítulo recoge las distintas técnicas interferométricas desarrolladas para el seguimiento y cálculo de la altura de blancos móviles en radares de alta resolución. Entre ellas se encuentran: el seguimiento de blancos móviles en sucesión de imágenes ISAR, el cálculo de altura de blancos en imágenes radar bidimensionales distancia-tiempo y su equivalente en imágenes distancia-Doppler. El cuarto capítulo presenta una aplicación de las técnicas interferométricas para la vigilancia de tráfico en carreteras. Se describirán dos configuraciones radar que permiten calcular la velocidad de todos los blancos iluminados por el radar identificando de manera unívoca a los blancos en función del carril por el que circulen. El quinto capítulo presenta técnicas interferométricas aplicadas a la vigilancia en entornos marítimos basadas en la generación de imágenes interferométricas. Para demostrar la viabilidad del uso de estas imágenes se ha desarrollado un simulador de blancos móviles extensos realistas. Abstract This Ph. D thesis deals with the development of radar interferometry techniques for high-resolution millimeter wave sensors. It focuses on the development of techniques for ground-based radars and specifically those related to monitoring, classification and imaging of moving targets. Apart from the theoretical development and simulation, another major technical challenge of this thesis is the experimental verification of the different techniques. For that purpuse, a very high resolution interferometric millimeter wave radar sensor is used. The first chapter of the thesis makes a brief introduction to the interferometric techniques and shows the goals, motivation and organization of this work. The second chapter provides a brief introduction to high resolution interferometric radars in millimeter waves and presents the experimental radar sensor which will be used for the validation of the various techniques presented. The third chapter presents the different interferometric techniques developed for monitoring and obtaining the height of moving targets in high resolution radars. Among them are: tracking of moving targets in a succession of ISAR images, targets height calculation using bidimensional range-time radar images and the equivalente technique using range-Doppler images. The fourth chapter presents the application of interferometric techniques for road traffic monitoring. Two radar configurations are described. Both of them are able to obtain the speed for simultaneuslly illuminated targets, and univocally identify each target based on the detected road lane. The fifth chapter presents the application of interferometric techniques to maritime surveillance based on interferometric imaging. To demonstrate the feasibility of the presented techniques a realistic simulator of extended moving targets has been developed.

Comodidad ferroviaria al paso de puentes

Se ha examinado la respuesta en tres de los puentes propuestos por el Comité de Expertos de la O.R.E. como genéricos. Las características mecánicas de cada uno son las que se exponen, aclarando de antemano que se trata de puentes de un sólo vano y que el número de modos se refiere al número de deformadas (senoidales) con que se aproxima a la real. El tipo de tren utilizado es clásico, compuesto por una locomotora CC 6500 y un vagón CORAIL. En cada caso se han efectuado pasadas correspondientes a las velocidades de 120, 160 y 200 Km/h. reflejándose la aceleración en la parte delantera y trasera del coche, en el puente QA y para cada velocidad de paso. Los resultados obtenidos para el parámetro V.D.V. muestran unos valores muy inferiores a aquellos que producen alguna sensación de incomodidad. Se hace notar no obstante que ello ocurre a pesar de que el registro temporal muestra aceleraciones importantes, especialmente a velocidades elevadas. Aparecen pues enfrentadas dos formas diferentes de entender la incomodidad causada por las vibraciones. El V.D.V. recoje la influencia de la duración de las vibraciones, pero no el efecto de transitorios que tienden a desaparecer en el filtrado. Es por ello que, al menos en lo que a esta aplicación se refiere, no parece aconsejable utilizar el V.D.V. como parámetro único, a pesar de sus evidentes ventajas en cuanto a comodidad y sencillez de uso. Por otra parte, la no inclusión de las irregularidades de la vía como factor agravante sobre la señal de partida, puede ser motivo de discrepancias con la realidad.

Evolución de las tecnologías xDSL

El objetivo de este proyecto es presentar un estudio acerca de la evolución a lo largo del tiempo de las diferentes tecnologías de acceso a la red que hacen uso de la planta instalada de par de cobre, llamadas tecnologías xDSL, y prestando especial interés a aquellas más ampliamente implantadas y aquellas que ofrecen velocidades de acceso mayores. El estudio hará un breve repaso a esta evolución desde la tecnología HDSL, la primera en utilizar el bucle de abonado para la transmisión de datos digitales, hasta las más utilizadas actualmente, como el ADSL2+ o el VDSL2. Además, se profundizará en el desarrollo de las tecnologías de acceso a la red de alta velocidad, principalmente asimétricas, haciendo un amplio estudio del funcionamiento de tecnologías desde el ADSL hasta el VDSL2. Se expondrán las diferencias entre todas ellas, atendiendo a las ventajas que cada una ofrece frente a las desarrolladas anteriormente, para lo que se tendrá en cuenta, principalmente, el uso cada vez más eficiente que se hace del espectro de frecuencias disponible, así como la velocidad máxima teórica que se podría alcanzar con cada una de ellas. Existen además, varias técnicas que permiten mejorar el rendimiento de la tecnología VDSL2, se repasaran brevemente, y se dedicará parte del estudio a aquella que permite agrupar varias líneas en una sola conexión, tecnología llamada bonding. Para complementar el estudio se realizarán una serie de simulaciones que permitan reflejar las mejoras que se van produciendo en las distintas tecnologías que se han ido desarrollando a lo largo del tiempo, observando para ello los diferentes puntos que se han tenido en cuenta en la parte teórica y haciendo hincapié en aquellas ventajas que más valorará el usuario final. Con un simulador de bucles de diferentes distancias, y un simulador e inyector de ruido, se simularán distintos escenarios en los que realizaran medidas de la velocidad de sincronismo obtenida utilizando tres tecnologías distintas, ADSL2+, VDSL2 y VDSL2 Bonding. Con los resultados obtenidos, se realizará una valoración de las condiciones en las que se obtienen mejores rendimientos con cada una de ellas. ABSTRACT. The goal of this Project is studying the historical evolution of different access technologies based on twisted pair, also known as xDSL access. I will focus on those technologies widely deployed and those that provide greater access speeds. I will begin with a historical approach, from HDSL, the first technology to use the copper pair to transmit digital data, to the most used nowadays, ADSL2+ and VDSL2. Later on, I will make a deep analysis of broadband access technologies, mainly asymmetric ones, from ADSL to VDSL2. I will explain the differences between them, paying special attention to their advantages in the face of the previous ones. To evaluate these leverages I will mainly consider the frequency spectrum efficiency and the maximum theoretical speed, both upstream and downstream. I will make a brief introduction to various techniques that improve VDSL2 performance. But I will take some more time to explain bonding, a technique that allows link some lines in a unique connection. To finish the project I will make a series of simulations that reflect the improvements achieved with each new technology, keeping in mind all those points reflected in the theoretical part of the project, and focusing on those advantages most valuable to the end user. I will analyze the obtained data to evaluate the best conditions for each technology. Those simulations will be made using a loop simulator and a noise injector to evaluate different scenarios, making rate measurements of three technologies, i.e. ADSL2+, VDSL2 and VDLS2 Bonding.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Requisitos en la infraestructura de red para servicios de comunicación entre paciente y centro sanitario

El presente Proyecto Fin de Carrera consiste en un estudio de los accesos a red que utilizan los servicios a los que están adscritos los usuarios de servicios de teleasistencia, planteando al final del mismo un modelo de previsión de caídas que permita que ese acceso a red no sea un problema para la prestación del servicio. Para poder llegar a los objetivos anteriormente descritos, iniciaremos este documento presentando qué se entiende actualmente como servicios de telemedicina y teleasistencia. Prestaremos atención a los actores que intervienen, usos y beneficios que tienen tanto para los pacientes como para las administraciones públicas. Una vez sepamos en qué consisten, centraremos la atención en las redes de acceso que se utilizan para prestar los servicios de telemedicina, con sus ventajas y desventajas. Puesto que no todos los servicios tienen los mismos requisitos generales de fiabilidad o velocidad de transmisión, veremos cómo se puede garantizar las necesidades de cada tipo de servicio por parte del proveedor de red. El siguiente paso para llegar a establecer el modelo de previsión de caídas será conocer las necesidades técnicas y de los actores para prestar un servicio de teleasistencia en el hogar de un paciente. Esto incluirá estudiar qué equipos se necesitan, cómo gestionarlos y cómo marcar el tráfico para que el operador de red sepa cómo tratarlo según el servicio de teleasistencia que se está utilizando, llevando a generar un modelo de supervisión de enlaces de teleasistencia. Llegados a este punto estaremos ya preparados para establecer un modelo de previsión de caídas de la conexión, describiendo la lógica que se necesite para ello, y poniéndolo en práctica con dos ejemplo concretos: un servicio de telemonitorización domiciliaria y otro servicio de telemonitorización ambulatoria. Para finalizar, realizaremos una recapitulación sobre lo estudiado en este documento y realizaremos una serie de recomendaciones. ABSTRACT. This Thesis is a study of the access network to be used with services assigned to patients that are users of telecare services. In the last chapter we will describe a fall forecasting model that allows the access network to not be an issue for the service. For achieving the objectives described above, this paper will begin with the presentation of what is now understood as telemedicine and telecare services. We pay attention to the actors involved, uses and benefits that they have both for patients and for public administrations. Once we know what telecare means and what requisites they have, we will focus on access networks which are used to provide telemedicine services, with their advantages and disadvantages. Since not all services have the same general requirements of reliability and transmission speed, we will try to see how you can ensure the needs of each type of service from the network provider's point of view. The next step is to establish that the forecasting model of falls will meet the technical needs and actors to provide telecare service in the home of a patient. This will include a study of what equipment is needed, how to manage and how to mark traffic for the network operator knowing how to treat it according to the telecare service being used, and this will lead us to the creation of a model of telecare link monitoring. At this point we are already prepared to establish a forecasting model of connection drops, describing the logic that is needed for this, and putting it into practice with two concrete examples: telemonitoring service and an ambulatory telemonitoring service. Finally, we will have a recap on what has been studied in this paper and will make a series of recommendations.

Estudio cinemático del cuerpo humano mediante Kinect

La cámara Kinect está desarrollada por Prime Sense en colaboración con Microsoft para la consola XBox, ofrece imágenes de profundidad gracias a un sensor infrarrojo. Este dispositivo también incluye una cámara RGB que ofrece imágenes a color además de una serie de micrófonos colocados de tal manera que son capaces de saber de qué ángulo proviene el sonido. En un principio Kinect se creó para el ocio doméstico pero su bajo precio (en comparación con otras cámaras de iguales características) y la aceptación por parte de desarrolladores han explotado sus posibilidades. El objetivo de este proyecto es, partiendo de estos datos, la obtención de variables cinemáticas tales como posición, velocidad y aceleración de determinados puntos de control del cuerpo de un individuo como pueden ser el cabeza, cuello, hombros, codos, muñecas, caderas, rodillas y tobillos a partir de los cuales poder extraer patrones de movimiento. Para ello se necesita un middleware mediante el entorno de libre distribución (GNU) multiplataforma. Como IDE se ha utilizado Processing, un entorno open source creado para proyectos de diseño. Además se ha utilizado el contenedor SimpleOpenNI, desarrollado por estudiantes e investigadores que trabajan con Kinect. Esto ofrece la posibilidad de prescindir del SDK de Microsoft, el cual es propietario y obliga a utilizar su sistema operativo, Windows. Usando estas herramientas se consigue una solución viable para varios sistemas operativos. Se han utilizado métodos y facilidades que ofrece el lenguaje orientado a objetos Java (Proccesing hereda de este), y se ha planteado una solución basada en un modelo cliente servidor que dota de escalabilidad al proyecto. El resultado del proyecto es útil en aplicaciones para poblaciones con riesgo de exclusión (como es el espectro autista), en telediagnóstico, y en general entornos donde se necesite estudiar hábitos y comportamientos a partir del movimiento humano. Con este proyecto se busca tener una continuidad mediante otras aplicaciones que analicen los datos ofrecidos. ABSTRACT. The Kinect camera is developed by PrimeSense in collaboration with Microsoft for the xBox console provides depth images thanks to an infrared sensor. This device also includes an RGB camera that provides color images in addition to a number of microphones placed such that they are able to know what angle the sound comes. Kinect initially created for domestic leisure but its low prices (compared to other cameras with the same characteristics) and acceptance by developers have exploited its possibilities. The objective of this project is based on this data to obtain kinematic variables such as position, velocity and acceleration of certain control points of the body of an individual from which to extract movement patterns. These points can be the head, neck, shoulders, elbows, wrists, hips, knees and ankles. This requires a middleware using freely distributed environment (GNU) platform. Processing has been used as a development environment, and open source environment created for design projects. Besides the container SimpleOpenNi has been used, it developed by students and researchers working with Kinect. This offers the possibility to dispense with the Microsoft SDK which owns and agrees to use its operating system, Windows. Using these tools will get a viable solution for multiple operating systems. We used methods and facilities of the Java object-oriented language (Processing inherits from this) and has proposed a solution based on a client-server model which provides scalability to the project. The result of the project is useful in applications to populations at risk of exclusion (such as autistic spectrum), in remote diagnostic, and in general environments that need study habits and behaviors from human motion. This project aims to have continuity using other applications to analyze the data provided.

Caracterización de usuario y tráfico en la evolución de la banda ancha en España

El mundo de las telecomunicaciones evoluciona a gran velocidad, acorde con las necesidades de los usuarios. El crecimiento del número de servicios a través de las conexiones que actualmente utilizamos para conectarnos a Internet (Ej. IPTV) con elevados requerimientos de ancho de banda, que junto a los servicios de nuevo nacimiento (ej. OTT), contribuyen tanto al aumento de la necesidad de mayores velocidades de conexión de los usuarios como a la implantación de nuevos modelos de calidad de servicio. Las redes de datos de banda ancha (fija y móvil) actuales deben, por lo tanto, experimentar una profunda transformación para conseguir solventar de una forma eficiente los problemas y las necesidades de tráfico, pudiendo así absorber el progresivo incremento del ancho de banda, dejando las puertas abiertas a futuras mejoras. Y para ello las operadoras se nutrirán con la valiosa información de tráfico y usuario que les lleven a tomar las mejores decisiones de cara a que las transformaciones llevadas a cabo cubran exactamente lo que el usuario demanda de la forma más eficiente posible. Con estas premisas, surgieron las ideas que se plasmaron como objetivos del PFC : La idea de narrar el despliegue de la banda ancha en España desde sus orígenes hasta la actualidad, enfocando su crecimiento desde un punto de vista sociotecnológico. Dando continuidad al punto anterior, se persiguió la idea de conocer las herramientas sociales y tecnológicas a raíz de las cuales se pueda realizar una previsión del tráfico en las redes de las operadoras en un futuro cercano. La pretensión de mostrar las características de los usuarios de banda ancha y del tráfico de datos que generan, que son de carácter crítico para las operadoras en la elaboración de forma adecuada de la planificación de sus redes. La intención de revelar los procedimientos de las operadoras para que, una vez conocidas las características de sus usuarios, se puedan cumplir los requisitos demandados por los mismos: QoS y los indicadores clave de rendimiento (KPIs) Por otro lado, el nivel de detalle dado pretende adecuarse a un público que no tenga profundos conocimientos sobre la materia, y salvo partes bastante concretas, se puede catalogar este trabajo como de abierto al público en general. ABSTRACT. The world of telecommunications is evolving at high speed, according to the needs of users. The growing of services number through the connections that currently have been used to connect to the Internet (eg IPTV ) with high bandwidth requirements, which together with the new birth services (eg OTT ) contribute both to increased the need for higher connection speeds users and the implementation of new models of service quality. Data networks broadband (fixed and mobile ) today must , therefore, undergo a deep transformation to achieve an efficient solving problems and traffic needs, thus being able to absorb the gradual increase of bandwidth, leaving the door open to future improvements. And for that the operators will be nurtured with valuable information and user traffic that lead them to make better decisions in the face of the transformations carried out exactly meet the user demand for the most efficient possible way. With these assumptions, the ideas that emerged were expressed as PFC objectives : The idea of narrating the broadband deployment in Spain from its origins to the present, focusing its growth from a socio-technological approach. Continuing the previous point, it pursued the idea of knowing the social tools and technology as a result of which it can perform a traffic forecast operators networks in the near future. The attempt to show the characteristics of broadband users and data traffic they generate, which are mission critical for operators in developing adequately planning their networks. The intention to disclose procedures for operators, once known the characteristics of their users, it can meet the requirements demanded by them: QoS and key performance indicators (KPI). On the other hand, the level of detail given suit seeks an audience that does not have deep knowledge on the subject, unless quite specific parts, this work can be classified as open to the general public.

Aplicación del Método de los Elementos de Contorno a problemas dinámicos en medios incomprensibles

Los métodos numéricos, como es sabido, son en muchas ocasiones altamente sensibles a las situaciones singulares que se presentan en diversos problemas de ingeniería, pudiendo dar lugar a errores, locales o globales, que invalidan los resultados proporcionados por un modelo que, en principio, se supone bien planteado. Tal es el caso de la aplicación del Método de los Elementos de Contorno a problemas dinámicos en medios incompresibles, donde el Coeficiente de Poisson se aproxima a su valor límite de 0,5. En estas circunstancias, según el modelo clásico de propagación de ondas, la velocidad de propagación de las ondas longitudinales (ondas P) tiende a infinito, lo que hace inoperantes las expresiones explícitas de la solución fundamental (o función de ponderación) tal como aparecen en la literatura técnica. El recurso de aproximar el valor de dicho Coeficiente como 0,499 ... conduce en ocasiones a resultados insuficientemente exactos cuando no manifiestamente erróneos, especialmente cuando se trabaja con simple precisión, como consecuencia de los errores de truncamiento en expresiones que, en el límite, serían de la forma: (cero)x(infinito). En el presente artículo se muestran los resultados analíticos de las diversas formas indeterminadas que aparecen en la aplicación del método para el caso aludido. Los resultados son de aplicación a diversos problemas de fluidos, así como a problemas de interacción suelo-estructura en terrenos arcillosos. Se presenta un ejemplo de aplicación que muestra la convergencia de la solución obtenida por el procedimiento propuesto, en contraste con la no-convergencia a que conduce la aproximación del Coeficiente de Poisson como 0,499…

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.