Abstract Uplink resource allocation strategies in modern cellular networks are studied in this thesis. With the presence of multiple antenna transmission, multiple base station (BS) coordination and multicarrier techniques, the resource allocation problem is reformulated and jointly optimized over a large set of variables. The focus is on the sum power minimization with per user rate constraints. A centralized multicarrier coordinated cellular network with multiple antennas implemented at the BS side is considered, where BSs can be adaptively clustered to detect signals from one mobile station (MS). The power, subcarrier, beamforming vector and BS cluster (BSC) are the design variables to be jointly optimized to satisfy the rate constraint per user. The first considered scenario is a simple single carrier multicell system. The power control problem with per user rate constraint can be optimally solved by the proposed algorithm, where power vector, BSC and beamforming vectors are separately updated until the sum power converges. The scenario is extended to more complicated multicarrier systems. The resource allocation problem is non-deterministic polynomial-time hard (NP-hard). Suboptimal algorithms are proposed to tackle the problem. To get more insights to the performance gap between the proposed algorithms and the capacity achieving bound, the scenario is specified to a single cell system with nonlinear receiver so that the calculation of the lower bound is possible. Efficient geometric aided fast converging power minimization algorithms are proposed to calculate the power bound of the multiple access channel (MAC) with per user rate constraint. By comparing the capacity achieving lower bound with the proposed algorithm, the BSW that starts from full rate allocation looks promising to have a good tradeoff between the convergence speed and the sum power consumption. Besides the resource allocation algorithms in the cellular network, the physical modeling and corresponding design of the network itself are also considered. The radio propagation in the elevation domain is modeled and considered. The diversity gain from the elevation domain is achieved by extra degree of freedom of beamforming in elevation domain. The antenna array can be either a uniform linear array or a uniform planar array with elements placed horizontally. The proposed power control algorithms are simulated in the 3D network scenarios. The effects of antenna array design in different propagation scenarios are compared. / Tiivistelmä Työssä tutkitaan ylälinkin resurssien kohdentamisstrategioita matkapuhelinverkoissa. Olettaen koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien (BS) välillä, resurssien kohdentamisongelma muotoillaan uudelleen ja optimoidaan yli suuren joukon optimointimuuttujia. Erityisesti keskitytään yhteenlasketun tehon minimointiongelmaan käyttäjäkohtaisien siirtonopeusrajoitteiden kanssa. Työssä oletetaan keskitetty koordinointi useiden monikantoaaltotekniikoita käyttävien moniantennitukiasemien välillä, joten tukiasemat voidaan adaptiivisesti ryhmitellä yhden matkaviestimen signaalin havannointia varten. Lähetysteho, kantoaaltoallokaatio, keilanmuodostus ja tukiasemaklusterointi ovat ongelman muuttujia, jotka optimoidaan yhdessä siten, että käyttäjäkohtaiset siirtonopeusrajoitteet täyttyvät. Ensimmäinen käsitelty tapaus on yksinkertainen yhden operaattorin monisolujärjestelmä. Tehonsäätöongelma käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa voidaan optimaalisesti ratkaista ehdotetulla algoritmilla, jossa lähetysteho, keilanmuodostusvektorit ja tukiasemaklusterointi päivitetään erikseen, kunnes yhteenlaskettu teho suppenee. Tarkastelu laajennetaan monimutkaisempaan monikantoaaltojärjestelmään. Kun käyttäjäkohtainen siirtonopeustavoite kiinnitetään, ongelma voidaan vastaavasti hajottaa osittaisiksi alikantoaaltokohtaisiksi osaongelmiksi, jossa kukin osaongelma voidaan optimaalisesti ratkaista. Jos alikantoaaltokohtaista siirtonopeustavoitetta ei ole kiinnitetty, tehonsäätöongelmasta tulee ei-polynomisesti monimutkainen. Optimaalisia algoritmeja ehdotetaan ongelman ratkaisemiseksi. Jotta voitaisiin saada tietoa todellisesta suorituskykyerosta ehdotettujen algoritmien ja kapasiteettioptimaalisen rajan välillä, vertailu tehdään yhden solun simulointimallissa epälineaarisen vastaanottimen kanssa siten, että kapasiteettioptimaalisen alarajan laskeminen on mahdollista. Tätä varten kehitetään tehokas geometria-avusteinen ja nopeasti konvergoituva algoritmi tehon minimointia varten käyttäjäkohtaisten siirtonopeusrajoitusten kanssa. Vertaamalla kapasiteettioptimaalista alarajaa ehdotettujen algoritmien suorituskykyyn huomataan, että ehdotettu BSW algoritmi on hyvä kompromissi konvergoitumisnopeuden ja tehonkulutuksen välillä. Matkapuhelinverkkojen resurssienkohdentamisalgoritmien lisäksi työssä huomioidaan myös verkon fyysinen mallintaminen ja vastaava suunnittelu. Työssä mallinnetaan radiokanavan ominaisuudet myös korkeustasossa, joka mahdollistaa diversiteetin hyödyntämisen korkeustason keilanmuodostuksessa. Antenniryhmä voi olla joko yhtenäinen lineaarinen ryhmä tai yhtenäinen tasoryhmä, jossa antennielementit on sijoitettu tasoon. Ehdotettuja tehonsäätöalgoritmeja simuloidaan kolmiulotteisessa verkkoskenaarioissa, jossa verrataan antenniryhmäsuunnittelun vaikutuksia eri radiokanavaskenaarioissa.

Extraction of physiological and clinical information hidden in biosignals, such as cardiac and neural signals, is an important and fascinating field of research. Noninvasive assessment of the physiological parameters of a patient enables to study the physiology and pathophysiology of the investigated system, with minimal interference and inconvenience. This approach may also help to assess noninvasively the clinical condition of the patient. The primary focus of this study is therefore to extend the arsenal of research tools for the noninvasive investigation of the neural and cardiac systems. The approaches developed in this work concern two major directions: The first direction relies on the analysis of cardiac and neural responses during hypoxia. Hypoxia-ischemia remains a great challenge to the researchers, since it triggers complex responses at different levels in the organism. The functional recovery depends on a number of factors among which the state of autonomic nervous system (ANS) regulation plays an important role. Two different applications were considered in this framework. The first application studied the effect of global ischemic preconditioning on the heart rate variability (HRV) response to the asphyxia insult. Using linear (time and frequency domain) and nonlinear (approximate entropy and parameters of Poincare plots) measures, we evaluated the dynamic time course of the HRV response to the asphyxia insult and the effect of preconditioning on the autonomic neurocardiac control. Our results show for the first time that global ischemic preconditioning influences the HRV response to the asphyxia injury. The neuroprotective effect of preconditioning translates into a faster recovery of the basal HRV and the autonomic modulation of the heart. For the preconditioned group, at about 90 min after the asphyxic insult, the autonomic neural balance (measured by LF/HF ratio) appears fully recovered. Another application addressed the problem of phase synchronization analysis of EEG signals during monitoring of recovery process following brain injury episode. The concept of phase synchronization offers a new perspective on the understanding and quantification of the dynamical interactions established among coupled systems. In this thesis, we present a new approach for the identification of the degree of interaction between two complex dynamical systems from experimental data analysis. We use the empirical-mode-decomposition (EMD) technique to decompose the output signals into a number of elementary orthogonal modes with well defined instantaneous attributes (IMFs). The second direction addressed the problem of correlations between anticipatory pursuit eye movements and the neural response in the Supplementary Eye Fields (SEF) of the Macaque monkey. Anticipatory pursuit is a smooth movement of the eye occurring before the appearance of an expected moving target. The expectation of the subject is based on a subjective estimation of the probability that the target will move in a given direction. Recently, it has been suggested that the SEF could play a role in using past experience to guide anticipatory pursuit. This hypothesis is currently being tested at the single neuron level. In the behaving monkey, it has been shown that electrical microstimulation in the SEF can facilitate smooth pursuit initiation towards a moving target, suggesting that activation of the SEF might change the internal gain of the smooth pursuit pathway. In this study, we favored anticipatory responses in monkeys by using a cognitive cue, which produces a different anticipatory pursuit response than the one observed in previous studies, based on repetition. / H εξαγωγή φυσιολογικών και κλινικών πληροφοριών οι οποίες είναι κρυμμένες σε βιοσήματα όπως τα καρδιακά και νευροφυσιολογικά σήματα είναι ένας σημαντικός και πολύ ενδιαφέρον τομέας έρευνας. Μη επεμβατική αξιολόγηση των φυσιολογικών παραμέτρων ενός ασθενή επιτρέπει την μελέτη της φυσιολογίας και παθολογίας του μελετούμενου συστήματος με τις λιγότερες παρεμβολές και ενόχληση. Η προσέγγιση αυτή μπορεί επίσης να βοηθήσει στην μη επεμβατική αξιολόγηση της κλινικής κατάστασης του ασθενή. Η πρώτη προσέγγιση της μελέτης αυτής είναι να επεκτείνει το οπλοστάσιο των ερευνητικών εργαλείων για την μη επεμβατική αναζήτηση του νευρικού και καρδιακού συστήματος. Οι προσεγγίσεις που αναπτύσσονται σε αυτή τη δουλειά αφορούν δύο κύριες κατευθύνσεις: Η πρώτη κατεύθυνση υπόκειται στην ανάλυση των καρδιακών και νευροφυσιολογικών αποκρίσεων κατά τη διάρκεια της υποξίας. Η ισχεμία – υποξία παραμένει μια μεγάλη πρόκληση στους ερευνητές εφόσον πυροδοτεί πολύπλοκες αποκρίσεις σε διαφορετικά επίπεδα στον οργανισμό. Η λειτουργική αποκατάσταση εξαρτάται από έναν αριθμό συντελεστών μεταξύ των οποίων ο έλεγχος της κατάστασης του αυτόνομου νευρικού συστήματος παίζει έναν πολύ σημαντικό ρόλο. Δύο διαφορετικές εφαρμογές ελήφθησαν υπόψη στο πλαίσιο αυτό. Η πρώτη εφαρμογή μελέτησε το φαινόμενο της ολικής ισχαιμικής προκατάστασης στην μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (heart rate variability - HRV) σε προσβολή από ασφυξία. Χρησιμοποιώντας γραμμικές (στον τομέα του χρόνου και των συχνοτήτων) και μη γραμμικές (υπολογισμός εντροπίας και παραμέτρων των γραφημάτων Poincare) τεχνικές υπολογίσαμε την δυναμική χρονική εξέλιξη της HRV απόκρισης στην προσβολή από ασφυξία και η επίπτωση της προ-κατάστασης στο αυτόνομο νευροκαρδιολογικό έλεγχο. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν για πρώτη φορά ότι η ολική ισχαιμική προκατάσταση επηρεάζει την HRV απόκριση στον τραυματισμό από την ασφυξία. Η νευροπροστατευτική επίπτωση της προκατάστασης μεταφράζεται σε μία γρηγορότερη αποκατάσταση του βασικού HRV και μία αυτόνομη εναρμόνιση της καρδιάς. Για την ομάδα με την προκατάσταση σε περίπου 90 λεπτά μετά την προσβολή από ασφυξία, η αυτόνομη νευρολογική ισορροπία (μετρούμενη από τον λόγο χαμηλών προς υψηλών συχνοτήτων εμφανίζεται πλήρως αποκαταστημένη. Μία άλλη εφαρμογή απευθύνεται στο πρόβλημα της ανάλυσης του συγχρονισμού φάσεων των σημάτων Ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος κατά τη διάρκεια παρακολούθησης της διαδικασίας αποκατάστασης μετά από επεισόδιο εγκεφαλικής βλάβης. Η ιδέα του συγχρονισμού φάσεων προσφέρει μία νέα προοπτική στην κατανόηση και ποσοτικοποίηση των δυναμικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ συστημάτων συζευγμένων ταλαντωτών. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια νέα προσέγγιση για την ανίχνευση του βαθμού της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο πολύπλοκων δυναμικών συστημάτων από την ανάλυση πειραματικών δεδομένων. Χρησιμοποιούμε την τεχνική του εμπειρικού τρόπου αποδόμησης (empirical-mode-decomposition EMD) για να διασπάσουμε τα σήματα εξόδου σε έναν αριθμό βασικών ορθογώνιων μερών με πολύ καλά καθορισμένες στιγμιαίες ιδιότητες (instantaneous attributes IMFs). Η δεύτερη κατεύθυνση είναι το πρόβλημα των συσχετίσεων μεταξύ προνοητικών κινήσεων των ματιών και των νευροφυσιολογικών αποκρίσεων στα παιδία των ματιών (Supplementary Eye Fields SEF) πιθήκων Macaque. Οι προνοητικές κινήσεις είναι απαλές κινήσεις των ματιών που συμβαίνουν πριν την εμφάνιση ενός αναμενόμενου κινούμενου στόχου. Η αναμονή από το υποκείμενο βασίζεται σε έναν υποκειμενικό υπολογισμό της πιθανότητας ότι ο στόχος θα κινηθεί σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Πρόσφατα, έχει υποτεθεί ότι τα SEF μπορούν να παίζουν ρόλο στην χρησιμοποίηση παλαιών εμπειριών στην καθοδήγηση αναμενόμενων κινήσεων. Αυτή η υπόθεση έχει ελεγχθεί στο επίπεδο ενός μόνο νευρώνα. Στον πίθηκο έχει βρεθεί ότι ο ηλεκτρικός μικροερεθισμός στο SEF μπορεί να διευκολύνει την ομαλή έναρξη της κίνησης προς έναν κινούμενο στόχο, συνιστώντας ότι η ενεργοποίηση του SEF μπορεί να αλλάξει την εσωτερική απόδοση του δικτύου της ομαλής κίνησης. Σε αυτή τη μελέτη, ενισχύσαμε την εκκίνηση των ομαλών κινήσεων των πιθήκων προς ένα κινούμενο στόχο η οποία παράγει μία διαφορετική προνοητική κίνηση αυτής που παρατηρείται σε προηγούμενες μελέτες η οποία βασίζεται σε επανάληψη.

[ES] La regulación de los niveles de glucosa en el cuerpo humano es el resultado de la secreción coordinada de hormonas. La Diabetes Tipo 1 (DT1) es una enfermedad crónica que provoca la destrucción de las células responsables de la producción de insulina, uno de los principales agentes en la regulación de glucosa. Por tanto, las personas con DT1 dependen de la administración exógena de insulina. No obstante, la gestión de la terapia no es sencilla y está sujeta a una gran variabilidad. Los sistemas de Páncreas Artificial se diseñaron con el objetivo de simplificar la gestión de la enfermedad, administrando insulina de manera automática a través de una bomba de insulina, en base a la lógica de un algoritmo de control que emplea información de un monitor continuo de glucosa. Sin embargo, la acción de la insulina es unidireccional (disminuye el valor de la glucosa), y a veces resulta insuficiente para mantener unos niveles seguros de glucosa en sangre. Por eso, en ocasiones se administran otras hormonas, con efectos opuestos (como el glucagón), o complementarios (como la pramlintida) a la insulina. Para que los sistemas automáticos se beneficien de estas acciones de control, es necesario estudiar y conocer sus dinámicas para poder simular su comportamiento, diseñar controladores que los tengan en cuenta y realizar experimentos in silico previos a utilizar los sistemas en pacientes. El uso del glucagón ya cuenta con una larga trayectoria y ha sido utilizado en varios sistemas automáticos. Sin embargo, existe mucha heterogeneidad en las formulaciones de modelos del efecto del glucagón, sobre todo en relación con su interacción con la insulina, y es necesario profundizar en el desarrollo de modelos que reflejen mejor la fisiología subyacente. Por otra parte, los modelos de pramlintida apenas se han estudiado. El objetivo principal de esta tesis es contribuir a mejorar simuladores para validar sistemas de páncreas artificial. En concreto, se realiza un análisis detallado del estado del arte para conocer las propuestas de modelos fisiológicos en la literatura, para luego centrarse en la descripción del efecto de glucagón en la producción endógena de glucosa y la farmacocinética y farmacodinámica de la pramlintida. El trabajo incluye la propuesta de nuevos modelos para glucagón y pramlintida basados en la fisiología, validados con datos clínicos individuales en el caso del glucagón y con datos poblacionales de la literatura en el caso de la pramlintida, mejorando en ambos casos los resultados previamente existentes. / [CA] La regulació dels nivells de glucosa en el cos humà és el resultat de la secreció coordinada d'hormones. La Diabetis Tipus 1 (DT1) és una malaltia crònica que provoca la destrucció de les cèl·lules responsables de la producció d'insulina, un dels principals agents en la regulació de glucosa. Per tant, les persones amb DT1 depenen de l'administració exògena d'insulina. No obstant això, la gestió de la teràpia no és senzilla i està subjecta a una gran variabilitat. Els sistemes de Pàncrees Artificial es van dissenyar amb l'objectiu de simplificar la gestió de la malaltia, administrant insulina de manera automàtica a través d'una bomba d'insulina, en funció de la lògica d'un algorisme de control que empra informació d'un monitor continu de glucosa. No obstant això, l'acció de la insulina és unidireccional (disminueix el valor de la glucosa), i de vegades resulta insuficient per a mantindre uns nivells segurs de glucosa en sang. Per això, ocasionalment s'administren altres hormones, amb efectes oposats (com el glucagó), o complementaris (com la pramlintida) a la insulina. Perquè els sistemes automàtics es beneficien d'aquestes accions de control, és necessari estudiar i conéixer les seues dinàmiques per a poder simular el seu comportament, dissenyar controladors que els tinguen en compte i realitzar experiments in silico previs a utilitzar els sistemes en pacients. L'ús del glucagó ja compta amb una llarga trajectòria i ha sigut utilitzat en diversos sistemes automàtics. No obstant això, existeix molta heterogeneïtat en les formulacions de models de l'efecte del glucagó, sobretot en relació amb la seua interacció amb la insulina, i és necessari aprofundir en el desenvolupament de models que reflectisquen millor la fisiologia subjacent. D'altra banda, els models de pramlintida a penes s'han estudiat. L'objectiu principal d'aquesta tesi és contribuir a millorar simuladors per a validar sistemes de pàncrees artificial. En concret, es fa una anàlisi detallada de l'estat de l'art per a conéixer les propostes de models fisiològics en la literatura, per a després centrar-se en la descripció de l'efecte de glucagó en la producció endògena de glucosa i la farmacocinètica i farmacodinàmica de la pramlintida. El treball inclou la proposta de nous models per a glucagó i pramlintida basats en la fisiologia, validats amb dades clíniques individuals en el cas del glucagó i amb dades poblacionals de la literatura en el cas de la pramlintida, millorant en tots dos casos els resultats prèviament existents. / [EN] Glucose regulation in the human body results from the coordinated secretion of hormones. Type 1 Diabetes (T1D) is a chronic disease that destroys insulin-producing cells, one of the main agents in the glucose regulation process. Consequently, people with T1D depend on exogenous insulin administration. However, therapy management is not an easy task, and it faces great variability. Artificial Pancreas systems were designed to ease the disease management, administering insulin automatically through an insulin pump based on the logic of a control algorithm that reads information from a continuous glucose monitor. Nevertheless, insulin action is uni-directional (lowering glucose values), and sometimes, it is insufficient to maintain safe plasma glucose levels. That is why, occasionally, other hormones are also administered, with opposite (like glucagon) or complementary effects (like pramlintide) to insulin. For automatic systems to benefit from these control actions, it is necessary to study and know their dynamics to simulate their behavior, design aware controllers, and carry out in silico experiments before using the system with patients. Glucagon use in T1D has a long trajectory; and has been used in automatic systems. However, there exists a wide heterogeneity in the definitions of glucagon effect, especially related to its interaction with insulin, and it is necessary to develop models that are more physiologically accurate. On the other hand, pramlintide models have barely been studied. This thesis' main objective is to improve T1D simulators to validate artificial pancreas systems. Specifically, a detailed analysis of the state of the art is carried out to know the physiological model proposals in the literature. Then, the focus moves to describing the glucagon effect on endogenous glucose production and the pharmacokinetics and pharmacodynamics of pramlintide. This work includes the proposal of new physiology-based models for glucagon and pramlintide. The glucagon model was validated with individual clinical data, and the pramlintide model was validated with populational data. Both proposals improved previously existing results. / This work was supported by grant FPU17/03404, grant EST19/00740, and project PID2019-107722RB-C21, funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033. / Furió Novejarque, C. (2024). Contributions to Glucagon and Pramlintide Pharmacokinetics and Pharmacodynamics Modeling for Multi-Hormone Artificial Pancreas Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202872

The battery is a component with significant impact on both the cost and environmental footprint of a full electric vehicle (EV). Consequently, there is a strong motivation to maximize its degree of utilization. Usage limits are enforced by the battery management system (BMS) to ensure safe operation and limit battery degradation. The limits tend to be conservative to account for uncertainty in battery state estimation as well as changes in the battery's characteristics due to aging. To improve the utilization degree, aging sensitive battery control is necessary. This refers to control that a) adjusts during the battery's life based on its state and b) balances the trade-off between utilization and degradation according to requirements from the specific application.  In state-of-the-art battery installations, only three signals are measured; current, voltage and temperature. However, the battery's behaviour is governed by other states that must be estimated such as its state-of-charge (SOC) or local concentrations and potentials. The BMS therefore relies on models to estimate states and to perform control actions. In order to realize points a) and b), the models that are used for state estimation and control must be updated onboard. An updated model can also serve the purpose of diagnosing the battery, since it reflects the changing properties of an aging battery. This thesis investigates identification of physics-based and empirical battery models from operational EV data. The work is divided into three main studies. 1) A global sensitivity analysis was performed on the parameters of a high-order physics-based model. Measured current profiles from real EV:s were used as input and the parameters' impact on both modelled cell voltage and other internal states was assessed. The study revealed that in order to excite all model parameters, an input with high current rates, large SOC span and longer charge or discharge periods was required. This was only present in the data set from an electric truck with few battery packs. Data sets from vehicles with more packs (electric bus) and limited SOC operating window (plug-in hybrid truck) excited fewer model parameters. 2) Empirical linear-parameter-varying (LPV) dynamic models were identified on driving data. Model parameters were formulated as functions of the measured temperature, current magnitude and estimated open circuit voltage (OCV). To handle the time-scale differences in battery voltage response, continuous-time system identification was employed. We concluded that the proposed models had superior predictive abilities compared to discrete and time-invariant counterparts.  3) Instead of using driving data to parametrize models, we also investigated the possibility to design the charging current in order to increase its information content about model parameters. This was formulated as an optimal control problem with charging speed and information content as objectives. To also take battery degradation into account, constraints on polarization was included. The results showed that parameter information can be increased without significant increase in charge time nor aging related stress. / Elekriska fordon utgör en allt större andel av världens fordonsflotta. Batteriet är en komponent med betydande påverkan både på fordonets kostnadoch dess miljö- och klimatpåverkan. Det är därför viktigt att försöka maximera batteriets utnytjandegrad. Användargränser upprätthålls av batterietsstyrsystem, såkallad BMS, för att garantera säker drift samt för att begränsabatteriets åldrande. Användargränserna tenderar att vara konservativa för attta höjd för osäkerhet i tillståndsestimeringen samt batteriets förändrade egenskaper under dess livstid. För att utöka utnyttjandegraden är ålderskänsligstyrning nödvändig. Med detta avses styrning som a) justeras under batterietslivstid och b) balancerar utnyttjande och prestanda på ett sätt som passar enspecifik applikation. Ombord på fordon mäts typiskt tre signaler; ström, spänning och temperatur. Batteriets beteende bestäms dock av andra tillstånd som måste estimeras, såsom dess laddnivåeller lokala koncentrationer och potentialer. BMS:enförlitar sig därför på modeller för att estimera interna tillstånd och utföra styrning. För att uppfylla punkterna a) och b) måste modellerna som användsuppdateras ombord i takt med att batteriet åldras. En uppdaterad modellkan också fungera som ett diagnostiskt verktyg eftersom det speglar batteriets förändrade egenskaper. Den här avhandlingen undersöker identifieringav fysikbaserade och empiriska modeller från kördata. Arbetet delas in i treseparata studier. 1) En global känslighetsanalys utfördes på parametrarna i en fysikbaseradmodell av hög ordning. Som inputsignal användes uppmätt ström från riktigaelfordon i drift. Parametrarnas effekt på både cellspänning och interna batteritillstånd analyserades. Studien visade att alla modellparametrar exciteradesav strömmen från ett helelektriskt fordon. Anledningen var att batteriernaanvändes inom ett brett SOC spann samt att den dragna strömmen var stor.I fordon med snävare SOC span och lägre strömmar var inte alla parametrarkänsliga. 2) Dynamiska parametervarierande modeller formulerades och identifierades från kördata. Den uppmätta temperaturen, samt strömmens storlekoch den estimerade tomgångsspänningen (OCV) användes till parameterberoenden. För att hantera skillnader i tidsskala mellan spänningssvarets olikakomponenter användes systemidentifiering i kontinuerlig tid. Vi kunde draslutsatsen att de föreslagna modellerna var överlägsna motsvarande diskretaoch konstanta modeller. 3) Istället för att använda kördata för att parametrisera modeller undersökte vi också möjligheten att designa laddförloppet för att öka dess informationsinnheåll. Detta formulerades som ett optimeringsproblem med laddtidoch informationsinnehåll i kostnadsfunktionen. För att även ta batteriets åldrande i beaktning, ansattses bivillkor på polariseringsspänningen. / <p>QC 20220516</p>

In den letzte Jahrzehnten wurde viel daran geforscht zu entschlüsseln wie das Gehirn Greifbewegungen koordiniert. Das anteriore intraparietale Areal (AIP), das Hand Areal des ventralen premotorischen Kortex (F5), und das Hand Areal des primären motorischen Kortex (M1) wurden als essentielle kortikale Arealen für die Kontrolle der Hand identifiziert. Nichtsdestotrotz ist deutlich weniger darüber bekannt wie die Neuronen dieser Areale einen weiteren essentielle Parameter von Greifbewegungen kodieren: Greifkraft. Insbesondere die Rolle der tertiären, kortikalen Areale AIP und F5 in diesen Prozess ist bisher unklar. Die hier durchgeführte Studie befasst sich mit der Wissenslücke über die neuronale Kodierung von Greifkraft Planung und Steuerung in diesen Arealen. Um dies zu erreichen, haben wir zwei Makaken (Macaca mulatta) trainiert eine verzögerte Greifaufgabe auszuführen mit zwei Grifftypen (ein Griff mit der ganzen Hand oder ein Präzisionsgriff) und mit drei verschiedene Kraftniveaus (0-12 N). Während die Affen die Aufgabe ausführten, haben wir die Aktivität von “single-units“ (einzelnen Neuronen) und “multi-units“ (Gruppen von mehreren Neuronen) in den Arealen AIP, F5 und M1 aufgenommen. Wir berechneten den Prozentsatz von Grifftyp modulierten und Griffkraft modulierten “units“ (cluster-based permutation test) und berechneten wie viel Varianz in der Population von “units“ durch Grifftyp und Kraft erklärbar ist, separat für jedes Gehirn Areal mit einer modernen Dimensionalitätsreduktionsanalyse (demixed principal component analysis). 18 Wir zeigen hier zum ersten Mal die Modulation von einzelnen AIP Neuronen durch Greifkraft. Weiterhin bestätigen und erweitern wir hier vorherige Ergebnisse, welche solche neuronale Modulationen bereits in F5 und M1 gezeigt haben. Überaschenderweise war der Prozentsatz von “units“ welche durch Griffkraft moduliert werden, in AIP und F5 nicht wesentlich kleiner als in M1 und ähnlich zu dem Prozentsatz an Grifftyp modulierte Neuronen. Der Anteil an erklärte Varianz in F5 durch Greifkraft war nahezu so groß, wie der Anteil erklärt durch Grifftyp. In AIP und M1 war klar mehr Varianz durch Grifftyp erklärt als durch Kraft, aber der Anteil an erklärte Varianz beider Arealen war ausreichend, um zuverlässig Kraftbedingung zu dekodieren. Wir fanden ebenfalls eine starke neuronale Modulation für Griffkraftbedingungen vor der Bewegungsinitiierung in F5, was wahrscheinlich eine Rolle dieses Areals in der Greifkraftplanung repräsentiert. In AIP war Greifkraftplanungsaktivität nur in einen der beiden Affen vorhanden und wie erwartet nicht präsent in M1 (gemessen nur in einen Affen). Letztendlich, obwohl Greifkraftmodulation in einigen Fällen durch Grifftypmodulation beeinflusst war, war nur ein kleiner Anteil der Populationsvarianz, in den jeweiligen Arealen, durch interaktive Modulation erklärt. Information über Greifkraft können somit folglich separat vom Grifftyp extrahiert werden. Diese Ergebnisse legen eine wichtige Rolle von AIP und F5 bei der Greifkraftkontrolle, neben M1, nah. F5 ist mit hoher Wahrscheinlichkeit auch bei der Planung von Greifkraft involviert, während die Rolle von AIP und M1 geringer ist in diesem Prozess. Letztendlich, da Grifftyp- und Kraftinformation separat extrahierbar sind, zeigen diese Ergebnisse, dass Greifkraft vermutlich unabhängig von Grifftyp, im kortikalen Greifnetzwerk kodiert ist. / In de laatste decennia is er veel onderzoek gedaan om te interpreteren hoe de hersenen grijpbewegingen besturen. Het anterieure intra pariëtale gebied (AIP), het handgebied van de ventrale premotorische schors (F5) en het handgebied van de primaire motorische schors (M1) zijn geïdentificeerd als essentiële gebieden van de hersenschors die de vorm van de hand besturen. Maar er is veel minder bekend over hoe de hersenen een andere parameter van grijpbewegingen bestuurt: grijpkracht. Vooral de rol in dit proces van AIP en F5, gebieden van hogere orde, is nog nagenoeg onbekend. Deze studie richt zich op het gebrek aan kennis over de neurale codering van het plannen en besturen van grijpkracht. Om dit te bereiken, hebben we twee makaken (Macaca mulatta) getraind om een vertraagde grijptaak uit te voeren met twee grepen van de hand (een grip met de hele hand of een precisie grip) en met drie verschillende krachtniveaus (0-12 N). Terwijl de apen de taak uitvoerden, maten we de activiteit van single-units (individuele neuronen) en multiunits (collectie van enkele neuronen) in de gebieden AIP, F5 en M1. We berekenden het percentage van units die hun activiteit moduleerden op basis van grip vorm of kracht met een moderne statistieke test (cluster-based permutation test) en we berekenden de hoeveelheid variantie die werd verklaard door de grip vorm en kracht door de populatie van units van elk hersengebied met een moderne dimensie vermindering techniek (demixed principal component analysis). We laten hier voor het eerst zien dat individuele neuronen van AIP hun activiteit moduleren op basis van grijpkracht. Verder bevestigen we dat neuronen van F5 en M1 20 dergelijke modulaties vertonen en breiden we de kennis hierover uit. Verassend genoeg was het percentage units dat reageert op het besturen van grijpkracht in AIP en F5 niet veel lager dan in M1 en ongeveer gelijk aan de hoeveelheid units dat reageert op grip vorm. De hoeveelheid variantie die werd verklaard door grijpkracht in F5 was bijna net zo hoog als wat werd verklaard door grip vorm. In AIP en M1 verklaarde grip vorm duidelijk meer variantie dan grijpkracht, maar ook in deze gebieden was de hoeveelheid variantie dat grijpkracht verklaarde hoog genoeg om de kracht conditie te decoderen. We vonden ook een sterke neurale modulatie voor grijpkracht condities in F5 voordat de arm bewoog, wat mogelijk een rol voor dit gebied representeert in het plannen van grijpkracht. In AIP was activiteit voor het plannen van grijpkracht alleen in één van beide apen gevonden en zoals verwacht was het niet gevonden in M1 (onderzocht in één aap). Tenslotte vonden we dat, hoewel modulatie voor kracht werd beïnvloedt door grip vorm in sommige eenheden, slechts een kleine fractie van de variantie van de neurale populatie van elk hersengebied een gemixte selectiviteit voor grip vorm en kracht had. Informatie over grijpkracht kon daarom onafhankelijk van grip vorm worden geëxtraheerd. Deze bevindingen suggereren een belangrijke rol voor AIP en F5 in het besturen van grijpkracht, samen met M1. F5 is waarschijnlijk ook betrokken met het plannen van grijpkracht, terwijl AIP en M1 waarschijnlijk een kleinere rol hebben in dit proces. Tenslotte, omdat informatie over grip vorm en grijpkracht onafhankelijk konden worden geëxtraheerd, laten deze resultaten zien dat grijpkracht vermoedelijk onafhankelijk van hand vorm is gecodeerd in het grijpnetwerk van de hersenschors.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung universeller Skalengesetze, die in gekoppelten chaotischen Systemen beobachtet werden. Ergebnisse werden erzielt durch das Ersetzen der chaotischen Fluktuationen in der Störungsdynamik durch stochastische Prozesse. <br /> <br /> Zunächst wird ein zeitkontinuierliches stochastisches Modell fürschwach gekoppelte chaotische Systeme eingeführt, um die Skalierung der Lyapunov-Exponenten mit der Kopplungsstärke (coupling sensitivity of chaos) zu untersuchen. Mit Hilfe der Fokker-Planck-Gleichung werden Skalengesetze hergeleitet, die von Ergebnissen numerischer Simulationen bestätigt werden. <br /> <br /> Anschließend wird der neuartige Effekt der vermiedenen Kreuzung von Lyapunov-Exponenten schwach gekoppelter ungeordneter chaotischer Systeme beschrieben, der qualitativ der Abstoßung zwischen Energieniveaus in Quantensystemen ähnelt. Unter Benutzung der für die coupling sensitivity of chaos gewonnenen Skalengesetze wird ein asymptotischer Ausdruck für die Verteilungsfunktion kleiner Abstände zwischen Lyapunov-Exponenten hergeleitet und mit Ergebnissen numerischer Simulationen verglichen.<br /> <br /> Schließlich wird gezeigt, dass der Synchronisationsübergang in starkgekoppelten räumlich ausgedehnten chaotischen Systemen einem kontinuierlichen Phasenübergang entspricht, mit der Kopplungsstärke und dem Synchronisationsfehler als Kontroll- beziehungsweise Ordnungsparameter. Unter Benutzung von Ergebnissen numerischer Simulationen sowie theoretischen Überlegungen anhand einer partiellen Differentialgleichung mit multiplikativem Rauschen werden die Universalitätsklassen der zwei beobachteten Übergangsarten bestimmt (Kardar-Parisi-Zhang-Gleichung mit Sättigungsterm, gerichtete Perkolation). / Subject of this work is the investigation of universal scaling laws which are observed in coupled chaotic systems. Progress is made by replacing the chaotic fluctuations in the perturbation dynamics by stochastic processes. <br /> <br /> First, a continuous-time stochastic model for weakly coupled chaotic systems is introduced to study the scaling of the Lyapunov exponents with the coupling strength (coupling sensitivity of chaos). By means of the the Fokker-Planck equation scaling relations are derived, which are confirmed by results of numerical simulations. <br /> <br /> Next, the new effect of avoided crossing of Lyapunov exponents of weakly coupled disordered chaotic systems is described, which is qualitatively similar to the energy level repulsion in quantum systems. Using the scaling relations obtained for the coupling sensitivity of chaos, an asymptotic expression for the distribution function of small spacings between Lyapunov exponents is derived and compared with results of numerical simulations. <br /> <br /> Finally, the synchronization transition in strongly coupled spatially extended chaotic systems is shown to resemble a continuous phase transition, with the coupling strength and the synchronization error as control and order parameter, respectively. Using results of numerical simulations and theoretical considerations in terms of a multiplicative noise partial differential equation, the universality classes of the observed two types of transition are determined (Kardar-Parisi-Zhang equation with saturating term, directed percolation).

This thesis explores techniques, models and algorithms for an efficient management of Cloud systems and how to apply them to the healthcare sector in order to improve current treatments. It presents two Cloud-based eHealth applications to telemonitor and control smoke-quitting and hypertensive patients. Different Cloud-based models were obtained and used to develop a Cloudbased infrastructure where these applications are deployed. The results show that these applications improve current treatments and that can be scaled as computing requirements grow. Multiple Cloud architectures and models were analyzed and then implemented using different techniques and scenarios. The Smoking Patient Control (S-PC) tool was deployed and tested in a real environment, showing a 28.4% increase in long-term abstinence. The Hypertension Patient Control (H-PC) tool, was successfully designed and implemented, and the computing boundaries were measured / Aquesta tesi explora tèniques, models i algorismes per una gestió eficient en sistemes al Núvol i com aplicar-ho en el sector de la salut per tal de millorar els tractaments actuals. Presenta dues aplicacions de salut electrònica basades en el Núvol per telemonitoritzar i controlar pacients fumadors i hipertensos. S'ha obtingut diferents models basats en el Núvol i s'han utilitzat per a desenvolupar una infraestructura on desplegar aquestes aplicacions. Els resultats mostren que aquestes aplicacions milloren els tractaments actuals així com escalen a mesura que els requeriments computacionals augmenten. Múltiples arquitectures i models han estat analitzats i implementats utilitzant diferents tècniques i escenaris. L'aplicació Smoking Patient Control (S-PC) ha estat desplegada i provada en un entorn real, aconseguint un augment del 28,4% en l'absistinència a llarg termini de pacients fumadors. L'aplicació Hypertension Patient Control (H-PC) ha estat dissenyada i implementada amb èxit, i els seus límits computacionals han estat mesurats. / Esta tesis explora ténicas, modelos y algoritmos para una gestión eficiente de sistemas en la Nube y como aplicarlo en el sector de la salud con el fin de mejorar los tratamientos actuales. Presenta dos aplicaciones de salud electrónica basadas en la Nube para telemonitorizar y controlar pacientes fumadores e hipertensos. Se han obtenido diferentes modelos basados en la Nube y se han utilizado para desarrollar una infraestructura donde desplegar estas aplicaciones. Los resultados muestran que estas aplicaciones mejoran los tratamientos actuales así como escalan a medida que los requerimientos computacionales aumentan. Múltiples arquitecturas y modelos han sido analizados e implementados utilizando diferentes técnicas y escenarios. La aplicación Smoking Patient Control (S-PC) se ha desplegado y provado en un entorno real, consiguiendo un aumento del 28,4% en la abstinencia a largo plazo de pacientes fumadores. La aplicación Hypertension Patient Control (H-PC) ha sido diseñada e implementada con éxito, y sus límites computacionales han sido medidos.

With the development of technology and availability of data, it is sometimes easier to learn the control policies directly from the data, rather than modeling a plant and designing a controller. Modeling a plant is not always possible due to the complexity of the plant. Data-enabled predictive control (DeePC) is a recently proposed approach that combines system identification, estimation, and control in a single optimization problem. DeePC is primarily designed for LTI systems. The purpose of this thesis is to extend the application of DeePC to nonlinear systems with a particular focus on a non-holonomic ground robot. To reach this goal, we decompose the system states into different working modes where each mode can be linearly approximated. Furthermore, the data collection policies were also evaluated to conclude how they affect the performance of the DeePC. We identified several key challenges in this direction, namely: data-demanding structure, high computational complexity, and performance deterioration with increased non-linearity. While these challenges prohibited the application of DeePC to the ground robot system; we successfully applied the method to a benchmark non-linear system, the inverted pendulum on cart problem, and studied the effect of various design choices on control performance. Our observations indicate potential areas of improvement toward enabling DeePC for highly nonlinear systems. / Med utvecklingen av teknik och tillgänglighet av data är det ibland enklare att lära sig styrpolicyerna direkt från data, snarare än att modellera ett system och designa en styrenhet. Att modellera ett system är inte alltid möjligt på grund av systemets komplexitet. Data aktiverad prediktiv kontroll (DeePC) är en nyligen föreslagen metod som kombinerar systemidentifiering, uppskattning och kontroll i ett enda optimeringsproblem. DeePC är främst designad för LTI-system. Syftet med denna avhandling är att utöka tillämpningen av DeePC till icke-linjära system med särskilt fokus på en icke-holonomisk markrobot. För att nå detta mål delar vi upp systemtillstånden i olika arbetslägen där varje läge kan approximeras linjärt. Dessutom utvärderades datainsamlingspolicyerna för att dra slutsatser om hur de påverkar DeePCs prestation. Vi identifierade ett antal nyckelutmaningar i denna riktning, nämligen: datakrävande struktur, hög beräkningskomplexitet och prestandaförsämring med ökad icke-linjäritet. Även om de utmaningerna hindrade tillämpningen av DeePC på markrobot systemet; har vi framgångsrikt tillämpat metoden på ett benchmark icke-linjärt system, problemet med inverterad pendel på vagn, och studerade effekten av olika designval på kontrollprestanda. Våra observationer indikerar potentiella förbättringsområden för att möjliggöra DeePC för mycket olinjära system.

Cette thèse traite de la synchronisation des systèmes dynamiques.La synchronisation est étudiée pour une configuration de type maître-esclave, c'est-à-dire pour des systèmes couplés de façon unidirectionnelle. Ce type de configuration s'avère d'un intérêt tout particulier car elle correspond à des architectures de communications chiffrées un-vers-un ou un-vers-plusieurs. Une attention spécifique est portée sur l'autosynchronisation, comportement qui caractérise la synchronisation par le simple couplage maître-esclave et donc en l'absence de tout contrôle extérieur. Elle joue un rôle majeur dans les communications impliquant des chiffreurs par flot autosynchronisants. L'étude de l'autosynchronisation dans le contexte cryptographique s'appuie sur la théorie du contrôle. Un lien original entre l'autosynchronisation et le principe de chiffrement/déchiffrement en cryptographie est mis en évidence. Il fait appel à la propriété de platitude des systèmes dynamiques, un concept emprunté à l'automatique. On montre que les systèmes dynamiques plats définissent complètement l'ensemble des systèmes autosynchronisants et permettent d'élargir les structures existantes des chiffreurs autosynchronisants. La platitude est tout d'abord étudiée pour deux types de systèmes non linéaires~: les systèmes linéaires commutés et à paramètres variants (LPV). La caractérisation des sorties plates s'appuie sur le concept de semigroupes nilpotents et un algorithme performant est proposé. Une approche constructive pour réaliser des structures maître-esclave autosynchronisantes est proposée sur la base de systèmes plats et les notions d'inversibilité à gauche et à droite empruntées à la théorie du contrôle. Par la suite, l'autosynchronisation est étudiée dans le contexte booléen, privilégié en cryptographie.Elle est caractérisée en premier lieu au travers la notion d'influence. Ensuite, différentes représentations matricielles associées aux fonctions booléennes sont proposées. Ces représentations s'avèrent particulièrement intéressantes pour l'analyse des propriétés liées à la sécurité. Un lien entre l'autosynchronisation et les structures propres des représentations matricielles est établi. Une approche orientée graphes est finalement élaborée pour la caractérisation. De nouvelles constructions de structures autosynchronisantes en sont déduites et des éléments de sécurité sont discutés. Enfin, une plateforme de test à base de FPGA qui a été réalisée est décrite / This thesis deals with the synchronization of dynamical systems. The synchronization considered is called master-slave, that is, the dynamical systems are connected in a unidirectional way. This configuration is of interest because it corresponds to an architecture encountered in secured communications of type one-to-one or one-to-many. A special attention is paid to self-synchronization. A behaviour that characterizes synchronization achieved with a simple master-slave coupling and so, without any external control. It is a central feature of self-synchronizing stream ciphers. The study of self-synchronization in the cryptographic context relies on control theory. An original connection between self-synchronization and encryption/decryption is provided. It is based on the flatness property of dynamical systems, a property borrowed from automatic control. It is shown that flat dynamical systems completly define the set of all self-synchronizing systems and thus, enlarge the existing structures of self-synchronizing stream ciphers. Flatness is first of all studied for the case of two nonlinear systems: switched linear systems and linear parameter-varying (LPV) systems. Flatness caracterization is based on the concept of nilpotent semigroups and an efficient algorithm is provided. A constructive approach for self-synchronizing master-slave structures is proposed. It relies on the construction of flat systems as well as on left and right invertibility also borrowed from control theory. Then, self-synchronization is studied in the Boolean context which is preferred in cryptography. Self-synchronization is caracterized through the notion of influence. Several matrix representations of Boolean functions are proposed. These representations are especially interesting for security analysis. A connection between self-synchronization and the eigenstructures of these matrices is established. Then, a graph oriented approach is provided. New self-synchronizing constructions are deduced and security elements are discussed. Eventually, the description of a realized FPGA based test plateform is provided

Abstract As mobile Internet access traffic continues to grow at an explosive rate and wireless networks continue to diverge into multiple access technologies with partly overlapping sets of features, new solutions for efficient use of these networks are vital. Cognitive network management provides tools to tackle this challenge by automatically learning from past experience the characteristics and usage patterns of the connected devices, thus enabling autonomic optimization of those connections. Cognitive network management requires a vast amount of information in order to function effectively, making collaboration of the networked devices essential as the best sources of information are scattered throughout the network. This makes efficient information dissemination one of the key enablers for autonomic networking. This dissertation studies managing control information related to autonomic selection of access networks and adapting services in a heterogeneous wireless network environment. It presents a solution to simple and efficient information dissemination in the form of Distributed Decision Engine— a CEP-like system enabling the building of a highly scalable and dynamic messaging system enabling dissemination, analysis and control of the complex series of interrelated events in the network. The dissertation also presents results showing a clear benefit in using cross-layer and cross-domain information in a modern wireless environment and validates the final prototype implementation of DDE with laboratory measurements. Effective use of disseminated cross-layer information is another key element in autonomic wireless networking. This dissertation also focuses on intelligent decision-making based on cross-layer information by presenting test results which attest that the performance of an autonomic wireless networking system can be improved by using cognitive techniques in its management algorithms, and that hierarchy and coordination can be utilized to minimize the effect of conflicting decisions of the system. / Tiivistelmä Mobiilin Internet-liikenteen räjähdysmäinen kasvu ja langattomien verkkojen jatkuva jakautuminen useisiin tekniikoihin vaativat uusia ratkaisuja näiden verkkojen tehokkaaseen käyttöön. Kognitiivinen verkon hallinta mahdollistaa oppimisen, minkä avulla laitteiden yhteyksiä voidaan optimoida autonomisesti aiemman kokemuksen perusteella. Tällainen optimointi vaatii kuitenkin valtavan määrän verkosta ja laitteista kerättyä tietoa, mikä tekee tehokkaasta tiedonjakelusta keskeisen elementin autonomisessa verkon hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan verkon valintaan ja palveluiden sopeuttamiseen vaadittavan tiedon välittämistä ja hallintaa autonomisissa langattomissa verkoissa. Ratkaisuna yksinkertaiseen ja tehokkaaseen tiedonvälitykseen esitellään hajautettu Distributed Decision Engine -komponentti, joka mahdollistaa skaalautuvan tiedon jakelu-, analysointi- ja hallintajärjestelmän rakentamisen. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan myös tuloksia, jotka osoittavat, että verkkokerrosten välisen tiedon käyttämisellä voidaan saavuttaa selvää etua, sekä tuloksia, jotka vahvistavat DDE-prototyyppitoteutuksen toimivuuden laboratoriomittauksin. Verkkokerrosten välisen tiedon tehokas hyödyntäminen on toinen keskeinen tekijä autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa. Väitöskirjassa käsitellään myös älykästä päätöksentekoa kyseisen informaation pohjalta sekä esitellään tuloksia, jotka osoittavat, että päätöksentekoa autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa voidaan parantaa kognitiivisilla tekniikoilla. Lisäksi esitetyt tulokset osoittavat, että hierarkialla sekä koordinoinnilla voidaan minimoida ristiriitaisten päätösten vaikutukset järjestelmään.