Pendent

En la presente tesis doctoral se ha realizado una serie de aportaciones para contribuir al desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. Esta nueva generación de sistemas utilizará una técnica de acceso del tipo CDMA y pretende poder garantizar una cierta calidad de transmisión en las comunicaciones. En este sentido, esta tesis presenta nuevas propuestas tanto para el protocolo de acceso al medio (MAC) como para los algoritmos de gestión de los recursos radio (RRM).Las propuestas han sido presentadas, estudiadas y analizadas en diferentes entornos representativos de trabajo y se ha demostrado su validez para su utilización en un sistema real de comunicaciones. Además, por su sencillez de implementación y alta eficiencia en la utilización de los recursos, se ha comprobado que todas ellas son candidatas muy adecuadas para poder formar parte de los estándares en formación para los citados sistemas.Glosando los aspectos desarrollados en la presente tesis doctoral, cabe destacar los siguientes puntos:? Se han estudiado en profundidad las necesidades y requerimientos del interfaz radio en los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación, centrando el estudio en las transmisiones en modo paquete para entornos con acceso CDMA.? Se ha propuesto un nuevo protocolo MAC para trabajar en este entorno de operación. Asimismo, se ha realizado un modelo teórico del protocolo para el análisis de su rendimiento en sistemas genéricos con tráfico homogéneo. Se ha analizado con detalle el modelo para demostrar las propiedades cuasi-óptimas del protocolo, tanto en retardo como en throughput y estabilidad. El protocolo además introduce un concepto nuevo de control distribuido que minimiza la información de control necesaria, mejorando con ello las prestaciones del sistema.? Se han realizado simulaciones por ordenador de un sistema de comunicaciones cuyo MAC es el nuevo protocolo propuesto para verificar la validez del modelo teórico. Se ha comprobado que se minimiza el retardo de propagación, se alcanza la máxima eficiencia en la utilización del canal radio y se mantiene la estabilidad para cualquier carga de tráfico.? Se ha propuesto una estructura de receptor físico para la detección de las secuencias de peticiones de acceso. Se ha analizado el rendimiento del receptor y se han derivado las probabilidades de error en la detección de las secuencias para entornos reales móviles. En esta situación, se ha realizado el estudio de estabilidad del protocolo y se han introducido las modificaciones necesarias para mantener la robustez del mismo, alcanzando el objetivo buscado.? Se ha realizado un trabajo de optimización del protocolo de acceso para mantener sus propiedades para cualquier entorno de tráfico de entrada, haciendo especial hincapié en el peor escenario posible. Este escenario es aquel en el que los usuarios generan mensajes muy racheados de longitud mínima. Se han introducido nuevas mejoras en el protocolo para mantener su rendimiento cuasi-óptimo en este escenario límite.? Se han realizado nuevas simulaciones de sistema por ordenador de cara a demostrar la capacidad inherente del protocolo para manejar situaciones de tráfico heterogéneo donde es posible adaptar las velocidades de transmisión de forma dinámica para mejorar el rendimiento del sistema. Para este cometido se han definido unos modelos de tráfico basados en las aplicaciones más usuales.? Se ha estudiado el comportamiento de un sistema celular de comunicaciones móviles donde el protocolo MAC es el nuevo protocolo propuesto. Se han realizado simulaciones en las que se demuestra que es posible mejorar el rendimiento general del sistema gracias al uso de la información de control que ofrece el propio protocolo en los criterios para la gestión de los handovers y el control de potencia.? Se han propuesto y analizado nuevas estrategias de gestión de los recursos radio, tanto para el subsistema de transmisión como para el subsistema de resolución de colisiones, de cara a dotar al sistema de la capacidad de garantizar una cierta calidad de servicio en las comunicaciones. Estas estrategias mantienen la idea de la gestión distribuida, lo que minimiza la información de señalización necesaria en el sistema. Se han definido unas clases de servicio de comprobación, con sus correspondientes parámetros de calidad y se ha demostrado el correcto funcionamiento del sistema en presencia de tráfico heterogéneo proveniente de todas estas clases. Se ha verificado que se cumplen los requisitos exigidos al sistema, cumpliéndose los criterios de prioridad y garantizando la calidad de las transmisiones.Por tanto, podemos concluir que la presente tesis doctoral se enmarca dentro de los estudios de investigación orientados a ofrecer nuevas aportaciones para ser incluidas en el nivel 2 del modelo OSI de los futuros sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación. / This thesis provides some new contributions for the development of the future third generation mobile communication systems. This new generation will use a CDMA multiple access technique and pretends to guarantee a certain quality of service in the transmissions. In this sense, this thesis presents new proposals of Medium Access Control Protocols (MAC) and radio resource management algorithms (RRM).These proposals have been presented, studied and analysed in different representative scenarios and it has been proved their suitability for a real communication system. They are also simple to implement and they have a very high efficiency in the use of the transmission resources. Therefore, all of them are promising in order to became part of the future standards.Summarising the main aspects of the thesis, they are:? The requirements of the radio interface of the future third generation mobile communication systems have been studied in detail, focusing in packet switched mode and CDMA access.? A new MAC protocol has been proposed to work in this scenario. A theoretical model has been developed in order to obtain its performance in a generic traffic situation. The near-optimum properties of the protocol have been demonstrated. These properties affect delay, throughput and stability. The protocol also introduces a new concept of distributed control, which minimises control information, improving the overall performance.? Some computer simulations have been carried out to verify the analytic model. It has been proved that the packet delay is minimised and the channel efficiency is almost the maximum theoretical one. Also, the stability is kept for any traffic load.? A receiver structure for the detection of the access requests has been proposed. This scheme has been studied and analysed, and all the misdetection probabilities have been derived in the presence of a real radio channel with fast fading. The required modifications in the MAC protocol needed to maintain the stability have been introduced and analysed. ? The MAC protocol parameters have been optimised in order to keep the same performance properties whichever the traffic load pattern could be. In particular, the worst case scenario of very frequent short messages has been studied in detail. Some modifications have been proposed and introduced in order to reach this objective.? Some computer simulations have been carried out to demonstrate the inherent capacity of the MAC protocol to operate in heterogeneous traffic situations. Also, a dynamic rate adaptation algorithm has been proposed and analysed to improve the overall performance.? A cellular mobile communications system based on the MAC protocol has been designed and simulated. It has been proved that the control information of the protocol can be used to improve the mobility mechanisms of the system: power control and handover decisions.? New Radio Resource Management strategies have been proposed and analysed, in order to provide the system the capacity to guarantee a certain quality of service in the transmissions.

La presente tesis doctoral se enmarca dentro del sector de las comunicaciones móviles, y en particular de los denominados sistemas de tercera generación, que se plantean como objetivo el poder ofrecer una gran diversidad de servicios multimedia bajo unas ciertas garantías de calidad de servicio que difieren sustancialmente de las habitualmente consideradas para los servicios de voz. Bajo esta perspectiva, los sistemas de transmisión por paquetes basados en la técnica de acceso múltiple por división en código CDMA son capaces de llevar a cabo este cometido gracias a la flexibilidad que aportan y a la eficiencia en el uso de los recursos radio.El planteamiento del trabajo ha consistido en identificar un conjunto de funcionalidades en el nivel de acceso al medio MAC para gestionar la calidad de servicio a ofrecer. Éstas son las siguientes: - Protocolo de acceso múltiple: permite a los usuarios acceder al sistema y poder notificar sus necesidades de transmisión.- Algoritmo de gestión de recursos: encargado de ordenar las diferentes transmisiones a la vez que de determinar sus parámetros de transmisión (ganancia de procesado, niveles de potencia, ...).- Estrategia de asignación dinámica de canales (DCA): permite discernir cuales de los recursos son más apropiados para cada uno de los usuarios en términos de interferencia recibida y generada hacia el resto, y presenta interés en un esquema de acceso híbrido por división en tiempo y en código.- Control de admisión: en base a la evaluación conjunta de las anteriores funcionalidades, se determina el límite máximo de usuarios de cada clase de servicio para mantener las garantías de todos ellos. A partir de aquí, el control de admisión es el responsable de garantizar que el número de usuarios en cada caso no supere el máximoestablecido.Las diferentes funcionalidades a nivel MAC se sustentan en estrategias de retransmisión apropiadas a nivel de enlace lógico LLC para garantizar la integridad de la transmisión de la información. A lo largo del trabajo se han ido cubriendo los diferentes aspectos citados para los modos de duplexado por división en frecuencia FDD y en tiempo TDD. En particular, con respecto a los protocolos de acceso múltiple se ha estudiado el protocolo ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) y se ha planteado su integración dentro de una estructura de tramas similar a la considerada en las propuestas UTRA FDD y UTRA TDD para UMTS, a la vez que se han desarrollado mecanismos eficientes de regulación de acceso y de la velocidad de transmisión capaces de ofrecer, por sí solos, buenas prestaciones en términos de eficiencia y de retardo para aquellos servicios con bajos requerimientos de calidad. Al considerarse servicios con requerimientos más estrictos en términos de retardo se ha planteado la combinación del protocolo propuesto con una estrategia de sondeo, que permite acotar el tiempo de acceso, y un algoritmo de gestión de recursos para arbitrar eficientemente las transmisiones. Como resultado de la evaluación conjunta de estos procesos, se ha obtenido la región de admisión para diferentes condiciones de tráfico que determina el control de admisión a efectuar. En relación al esquema DCA para los mecanismos basados en TDD, se han planteado diversas posibilidades de distribución de las diferentes ranuras temporales para minimizar las interferencias móvil a móvil y base a base. Por último, se han considerado también las estrategias de retransmisión, a partir de la evaluación del esquema ARQ híbrido del tipo II, que ha sido estudiado analíticamente mediante el desarrollo de un modelo de Markov y comparado frente a otras estrategias como el esquema ARQ híbrido del tipo I. / The framework for this study are the third generation mobile communication systems, whose main objective consists in offering a diversity of multimedia services under certain Quality of Service (QoS) guarantees. These requirements differ from those usually considered for the speech services in second generation networks. Under this framework, packet transmission systems based on the code division multiple access CDMA strategy present a high flexibility and efficiency in the management of the scarce radio resources to deal with the specified services.A set of functions has been identified in the Medium Access Control layer (MAC) when the CDMA radio resources need to be managed to guarantee a certain QoS. These are the following: - Multiple Access Protocol: It specifies a set of rules to allow users access the system and indicate their transmission requirements.- Radio Resource Management algorithm: It is responsible for ordering the different transmissions while at the same time establishing their transmission parameters (spreading factor, transmitted power, .) depending on the specific QoS for each user. - Dynamic Channel Allocation (DCA) strategy: it decides which are the most suitable resources for each user depending on the measured interference as well as the interference generated to other users. Such a strategy is required in hybrid TDMA/CDMA schemes.- Admission Control: It is responsible for deciding whether a new user can be accepted in the system depending on its required QoS and the requirements of the previously accepted users. After evaluating the overall behaviour of the multiple access protocol, the radio resource management algorithm and the DCA strategy, a limit is found for the maximum number of users that can be accepted for each service class. Then, the admission control mechanism guarantees that the number of users remains always below this limit.The different MAC layer functions make use also of suitable retransmission strategies at the Logical Link Control (LLC) layer to guarantee the integrity of the information that is being transmitted.All the previous topics have been covered along this work when taking into account both the Frequency Division and Time Division duplex modes (FDD and TDD). In particular, the ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) protocol has been studied as a proposal for multiple access protocol and it has been integrated in a frame structure similar to the considered in the proposals UTRA FDD and UTRA TDD for UMTS. Efficient access regulation mechanisms and algorithms for adaptively varying the transmission bit rate have been developed in the context of the ISMA-CDMA. They are able to guarantee by their own a good delay and throughput levels for those services with low stringent QoS requirements. However, in order to deal also with services requiring a very low delay, the ISMA-DS/CDMA protocol has been combined with a polling strategy that allows establishing a bound in the access delay and with a radio resource management that prioritises transmissions in a smart way. As a result of the evaluation of these procedures, the admission region has been obtained for different traffic situations, thus establishing the limits for the admission control mechanism. Regarding the DCA scheme for TDD based mechanisms, different possibilities.have been considered for distributing the different time slots aiming to minimise the mobile to mobile and base to base interference characteristic of TDD/CDMA environments.Finally, retransmission schemes have also been considered with a particular focus on the evaluation of the type II hybrid ARQ strategy, that has been compared to other schemes like the type I hybrid ARQ. An analytical Markov model has also been developed for the type II hybrid ARQ strategy.

El estudio de la medida de la salinidad del océano junto con la humedad del terreno constituyen dos de las aplicaciones más importantes dentro del mundo de la teledetección que no han sido estudiadas hasta la fecha. Concretamente esta tesis se va a centrar en la primera de ellas. La concentración salina de los océanos está ligada al clima y, en consecuencia su conocimiento a nivel global en cada instante puede representar un buen índice de referencia a la hora de realizar las predicciones climáticas, ya que es un indicador de las corrientes marinas, y de la diferencia entre evaporación y precipitación. En el mes de mayo de 1999 la Agencia Espacial Europea (ESA) seleccionó la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) con el fin de realizar estudios en ambos campos, utilizando un radiómetro de apertura sintética bidimensional en banda L (MIRAS; Microwave Imagin Radiometer by Aperture Synthesis) instalado en un satélite que se prevé será puesto en órbita a principios del año 2007.Con objeto de mejorar los modelos de emisión del mar en banda L y de estudiar la recuperación de la salinidad mediante medidas radiométricas multiangulares, la ESA aprobó el experimento WISE (WInd and Salinity Experiment) que se realizó a lo largo de dos campañas, durante los últimos meses de los años 2000 y 2001 en la plataforma petrolífera Casablanca, situada 50 Km mar adentro frente a las costas de Tarragona. En dichas campañas participaron cinco grupos de científicos de diferentes países (España, Francia y Estados Unidos).La finalidad de los experimentos fue el estudio de la temperatura de brillo del mar teniendo en cuenta la influencia de su estado provocado por el viento, la espuma, el mar de fondo, etc. Para ello se utilizó un radiómetro de apertura real tipo Dicke completamente polarimétrico, diseñado y construido en la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya) a tal efecto.La tercera campaña, FROG (Foam, Rain, Oil slicks and GPS reflectometry) fue patrocinada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología y se realizó durante la primavera del año 2003, junto a la desembocadura del Río Ebro. Ésta consistió en determinar la contribución en la variación de la temperatura de brillo debida a algunos de los efectos ya mencionados tales como: la espuma, la lluvia y las manchas de aceite. Las medidas de la temperatura de brillo se realizaron variando la concentración salina a voluntad, desde 0 psu hasta 38 psu y, estudiando separadamente cada uno de estos efectos.

En el capítulo 1 se presentan algunos conceptos básicos relacionados con el tráfico de voz, junto a los modelos más comúnmente utilizados en la evaluación y dimensionado de sistemas de telefonía móvil. En todos los casos se presentan evaluaciones exactas, es decir deducidas analíticamente para los modelos expuestos. A su vez se discute y cuestiona la idoneidad de las hipótesis que se asumen en cada modelo. Se tratan en este capítulo algunos temas básicos de teletráfíco como modelos jerárquicos de tráfico, prioridades, poblaciones finita e infinita, modelos de traspasos en telefonía celular, etc.El capítulo 2 presenta la caracterización de la duración de los mensajes de tráfico telefónico en sistemas PAMR, demostrándose que la distribución de ocupación del canal si la gestión se realiza por mensaje (a nivel de llamada) es hipoexponencial. La forma en que los resultados del capítulo 2 pueden ser utilizadas en la evaluación de sistemas es presentada en el capítulo 3, en el que se introducen procesos de colas M/G/í con distribución hipoexponencial de la ocupación del canal. A diferencia de los resultados del capítulo 1 que son soluciones analíticas exactas, en este caso los resultados presentados son aproximaciones precisas y de fácil cómputo.Al igual que el capítulo 2, el capítulo 4 presenta caracterización de tráficos, pero en sistemas en los que el tiempo de ocupación del canal sigue una distribución hiperexponencial: sistemas PMR con gestión por transmisión y telefonía móvil pública celular. A su vez el capítulo 5 introduce métodos que permiten considerar dichas distribuciones en la evaluación y dimensionado de sistemas, también en forma de aproximaciones.Por tanto en esta tesis se presentan trabajos y contribuciones en dos ámbitos: el de la caracterización de tráficos, y el de las aproximaciones en colas M/G/s con y sin prioridad. Es obvio que se trata de dos vertientes complementarias de un mismo problema. De poco va a servir el esfuerzo realizado en caracterizar un tráfico si no podemos incorporar dicha caracterización en la evaluación (aunque la caracterización siempre es útil para alimentar simulaciones de forma más precisa). Por otra parte las aproximaciones son inútiles si no sabemos con que cifras substituir los símbolos de las ecuaciones. Desde este enfoque se puede decir que los capítulos 2 y 3 son complementarios entre sí, al igual que lo son los capítulos 4 y 5.

Usually multimedia services can be divided into two different phases: access to the service and content distribution. The first phase usually takes place over reliable transport protocols and unicast connections. The second one is often performed over unreliable transport protocols and multicast communications. Adding security to the first phase only needs a straight application of well known unicast security techniques. On the contrary, adding security to IP multicast requires the study of a new problem because traditional unicast solutions do not fit the new environment.This Doctoral Thesis deals with the arising problems when security is added to multicast environments and proposes different practical solutions.Among all the attacks to the distribution phase, eavesdropping is probably the most significant. Ciphering is the security service against eavesdropping. Multicast encryption introduces the Key Management problem in multicast.If Perfect Forward and Backward secrecy is required the session key must be updated every time a member joins or leaves the multicast group. In huge and highly dynamic groups the unicast distribution of the session key is completely unfeasible The contributions of this Thesis consist in different logical key tree based updating algorithms for multicast. Our proposals take advantage of pseudo-random functions and modular reduction in order to reduce required bandwidth for updating and total amount of bytes stored in the Key Server. In many scenarios it is not worth to update the key every time a change in the membership occurs. Services as Web-TV permit a decrease in security in order to reduce bandwidth requirements for key management. In such case batch rekeying algorithms are used. This kind of algorithm process periodically all joining and leaving requests produced since the last rekeying process at once. Batch rekeying algorithms are efficient if and only if the logical tree is maintained balanced. This Thesis also proposes a batch-rekeying algorithm that leads to completely balanced trees for the whole group lifetime.Batch processing techniques are also combined with the former contributions in order to increase efficiency.The proposals of this Thesis are not supported by the IETF standard on Key Management for multicast secure communications (GDOI). This is mainly because this standard does not allow members to change their position in the tree while they are members of the group. Finally, an adaptation of GDOI allowing the performance of our contributions is proposed.

Aquesta tesi es dedica a l'anàlisi de la justícia a la capa física en entorns de comunicacions amb múltiples antenes i diversos usuaris, cosa que implica un nou punt de vista sobre problemas tradicionals. Malgrat això, el grau d'equitat o desigualtat en la distribució de recursos ha estat estudiat en profunditat en altres camps com Economia o Ciències Socials. En el fons, el enginyers tendeixen a optimizar les prestacions globals, però quan hi ha múltiples usuaris en escena, aquella optimització no és necessàriament la millor opció. En sistemes mòbils, per exemple, l'usuari amb unes males condicions de canal pot patir les conseqüències d'un controlador central que basi les seves decisions en la millor qualitat instantània del canal. En aquest sentit, el problema s'encara des de quatre perspectives diferents: processament d'antenes, assignació de potència, assignació de bits, i combinació de diversitat en espai (SDMA) amb múltiples subportadores (OFDM).Abans del contingut tècnic, es descriu en detall l'entorn on s'emmarca aquesta tesi. La contribució de l'autor com a tal comença amb l'anàlisi de la justícia no només pel processament al transmissor, però també pel límit superior que representa la tècnica cooperativa entre el transmissor i el receptor. L'anàlisi de SNR pel forçador de zeros, el dirty paper i l'estratègia cooperativa entre transmissor i receptor està basada en la teoria de carteres, i consisteix bàsicament a calcular la mitja i la variància de cada esquema. Es veu que una mitja superior ve donada per una major variància en l'assignació de recursos. Així com a aquestes tècniques d'antenes, la justícia hi és implícita, es fa totalment explícita en la tria d'una tècnica de distribució de potència amb un conformador forçador de zeros. Llavors, les funcions objectiu tradicionals a la literatura es comparen en termes de justícia, això és en termes del màxim i el mínim, a més de la mitja o la suma. Aquí es pot veure que optimitzar les prestacions globals d'una cel·la (p.ex tècniques de mínima suma de BER o màxima suma de rate) implica una distribució més desigual dels recursos entre els usuaris. Per una altra banda, les tècniques max-min tendeixen a fer una distribució dels recursos més paritària entre els usuaris, alhora que perden en prestacions globals.A més, l'assignació de potència basada en teoria de jocs es compara a les tècniques tradicionals, i es mostra que la funció d'utilitat àmpliament utilitzada en aquest context té una taxa d'error inacceptable. Llavors, la funció a optimitzar s'ha de triar de forma acurada, per tal d'evitar possibles conseqüències indesitjables. Un altre problema interessant és el control d'admissió, és a dir, la selecció d'un subconjunt d'usuaris que han de ser servits simultàniament. Normalment, el control d'admissió és necessari per complir els requeriments de les comunicacions, en termes de retard o taxa d'error, entre d'altres. Es proposa un nou algoritme que està entre mig de les tècniques tradicionals a l'eix de la justícia, l'assignació uniforme de potència i l'esquema que dóna igual rate i BER a tots els usuaris.Després d'això, l'anàlisi de la justícia es fa per l'assignació de bits. Primer, el punt de vista tradicional de la maximització de la suma de rates es contraposa a la maximització de la mínima rate, que finalment assigna a tots el usuaris un número igual de bits. Un altre cop, el controlador central ha de balancejar les necessitats individuals amb les prestacions globals. Malgrat això, es proposa un algoritme que té un comportament intermig entre els esquemes tradicionals. A més, s'estudien una extensió per tal de combinar la diversitat en espai amb la freqüencial, per tant, s'analitzen sistemes SDMA/OFDM, pels quals s'extenen els algoritmes inicialment dissenyats per SDMA. Com que les funcions objectiu són NP-completes i molt difícils de resoldre fins i tot amb un nombre moderat d'usuaris i antenes, les solucions subòptimes són clarament bones candidates. A més, temes pràctics com la senyalització i la reducció en complexitat són tractats des d'un clar punt de vista d'enginyeria. / This dissertation is devoted to the analysis of fairness at the physical layer in multi-antenna multi-user communications, which implies a new view on traditional techniques. However, the degree of equality/inequality of any resource distribution has been extensively studied in other fields such as Economics or Social Sciences. Indeed, engineers usually aim at optimizing the total performance, but when multiple users come into play, the overall optimization might not necessarily be the best thing to do. For instance in wireless systems, the user with a bad channel condition might suffer the consequences from the selective choice based on the instantaneous channel quality made by a centralized entity. In this sense, the problem has four different perspectives: antenna processing, power allocation, bit allocation, and combination of space diversity (SDMA) with multiple subcarriers (OFDM).Before the technical content, the landscape where this dissertation is contained is described in detail. The contribution of the author starts with the analysis of fairness conducted not only for transmit processing, but also for the upper bound that represents the cooperative strategy between the transmitter and the receiver. The SNR analysis for zero forcing, dirty paper, and the cooperative scheme, is based on portfolio theory, and basically consists of the computation of the mean and the variance of each scheme. Interestingly, a higher mean performance comes at the expense of a higher variance in the resource allocation. Whereas in these antenna array techniques, the fairness is implicit, it is made explicit afterwards by the selection of a power allocation technique with a zero forcing beamforming. The traditional objective functions available in the literature are here compared in terms of fairness, i.e. not only the mean or sum value are analyzed, but also the minimum and the maximum. It can be stated that optimizing the global performance of a cell (e.g. a minimum sum BER or maximum sum rate techniques) comes at the expense of an uneven distribution of the resources among the users. On the other hand, max-min techniques tend to distribute the resources more equally at the expense of loosing in global performance.Moreover, the game-theoretic power allocation is compared to traditional techniques, and it is shown that the widespread utility function in this context yields an unacceptable BER. Therefore, the optimizing criterion shall be carefully chosen to avoid undesirable operating consequences. Another interesting problem is the admission control, that is, the selection of a subset of users that are scheduled for transmission. Usually, this selection shall be done because the QoS requirements of the communications, e.g. in terms of delay or error rate, prevent all the users from being served. A new algorithm is proposed that balances between the traditional techniques on the extremes of the fairness axis, the uniform power allocation and the equal rate and BER scheme.After that, the fairness analysis is conducted for the integer bit allocation. First, the traditional approach of the maximization of the sum rate is opposed to the maximization of the minimum rate technique, which ultimately assigns an equal number of bits for all the users. Again, the centralized controller shall balance between the global performance and the individual needs. Nevertheless, an algorithm is proposed, which yields an intermediate behavior among the other traditional schemes. Then, an extension is developed in order to combine the spatial diversity with frequency diversity, that is, SDMA/OFDM systems are analyzed and the initial algorithms for SDMA are extended for such a case. Since the objective functions are NP-complete and very hard to solve even with moderate number of users and antennas, several suboptimal solutions are motivated. Moreover, practical issues such as signaling or a reduction in complexity are faced from a clear engineering point of view.

Aquesta recerca desenvolupa una ampliació de la metodologia de sistemes consistents de clústers que la fan aplicable a una realitat de gran complexitat: la relació entre perfils de consulta dels materials d'un campus virtual i els rendiments acadèmics. L'assignatura a la que s'aplica la metodologia és la de Bases de dades dels estudis d'enginyeria de l'Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Electrònica i Informàtica de La Salle‐URL. Aquesta assignatura és molt heterogènia en continguts i competències, per la qual cosa té un flux d'avaluació complicat. Per assignar la nota final a un alumne es combinen proves de coneixement algorítmic, pràctiques, treballs o documentació sobre aspectes específics de la matèria. A més, el centre ofereix la possibilitat als alumnes que es recuperin d'ensopegades puntuals en la diversitat d'exàmens o exercicis que han de realitzar, ja que els permet presentar‐se a recuperacions en diferents moments del curs. Per aquest motiu, es desenvolupa la metodologia dels sistemes consistents de clústers de manera heurística cercant de trobar informació rellevant. L'aplicació de la metodologia requereix d'un procediment de ‘trial and error’ fins trobar models que encaixin satisfactòriament amb la realitat estudiada. El text que s'ha publicat finalment omet moltes proves i cerques, ja que es van explorar diversos camins d'anàlisi estadística abans d'arribar a un conjunt raonable i homogeni de tècniques amb resultats positius. L'aproximació dels sistemes consistents de clústers tan sols havia estat definida en la tesi precedent de Senmartí (2010), com a alternativa a estudis correlacionals o factorials, però feia falta considerar una ampliació de les idees exposades. En aquesta investigació s’hi introdueixen variacions, de manera que la fan susceptible de ser aplicada a situacions més complexes que es tracten mitjançant dissenys expostfacto. De les conclusions acadèmiques en destaquem dues aportacions: a) El concepte de clúster diana, que neix de manera natural dels sistemes consistents de clústers aplicats a aquest tipus de recerca sobre rendiment acadèmic (susceptible també de ser aplicat en investigacions de qualsevol tipus on es disposi d'una variable d'interès, ja sigui “benefici”, “vendes”, “malalts que milloren”, etc.) b) Les directrius per a la docència en la formació superior que sorgirien del model d'ajust aconseguit. Especialment el descobriment que els estudiants amb millor rendiment acadèmic solen trobar‐se més en clústers de perfil selectiu en les consultes que no pas en clústers de perfil exhaustiu. El sistema consistent de clústers fa palesa la “cultura de consulta” als campus virtuals que desenvolupen els estudiants. / La presente investigación desarrolla una ampliación a la metodología de sistemas consistentes de clústers que la hacen aplicable a una realidad sumamente compleja: la relación entre perfiles de consulta de los materiales de un campus virtual y los rendimientos académicos. La asignatura a la que se aplica la metodología es la de Bases de Datos de los estudios de ingeniería de la Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Electrònica i Informàtica La Salle ‐URL. Esa asignatura es muy heterogénea en contenidos y competencias, por lo que tiene un flujo de evaluación complicado. Para asignar la nota final a un alumno se combinan pruebas de conocimiento algorítmico, prácticas, trabajos o documentación sobre aspectos específicos de la materia. Además, el centro ofrece la posibilidad a los alumnos de que se recuperen de tropiezos puntuales en la diversidad de exámenes o ejercicios que deben realizar, ya que les permite presentarse a recuperaciones en diferentes momentos del curso. Por tal motivo, se desarrolla la metodología de los sistemas consistentes de clústers de manera heurística en búsqueda de información relevante. La aplicación de la metodología requiere de un procedimiento de trial and error hasta encontrar modelos que encajen satisfactoriamente con la realidad estudiada. El texto que se ha publicado finalmente omite muchas pruebas e intentonas, ya que se pusieron en práctica muchos otros caminos de análisis estadístico antes de llegar a un conjunto razonable y homogéneo de técnicas con resultados positivos. La aproximación de los sistemas consistentes de clústers tan solo había sido definida en la tesis precedente de Senmartí (2010), como alternativa a estudios correlacionales o factoriales, pero hacía falta considerar una ampliación de las ideas expuestas. En esta investigación se realizan variaciones en la misma, de manera que la hacen susceptible de ser aplicada a situaciones más complejas que se tratan mediante diseños expostfacto. De las conclusiones académicas resaltamos dos aportaciones: a) El concepto de clúster diana, que nace de manera natural de los sistemas consistentes de clústers aplicados a este tipo de investigaciones sobre rendimiento académico (susceptible también de ser aplicado en investigaciones de cualquier tipo donde se disponga de una variable de interés, ya sea “beneficio”, “ventas”, “enfermos que mejoran”, etc.) b) Las directrices para la docencia en la formación superior que emanan del modelo de ajuste conseguido. En especial el descubrimiento de que los estudiantes con mejor rendimiento académico suelen encontrarse más en clústers de perfil selectivo en las consultas y no, en cambio, en clústers de perfil exhaustivo. El sistema consistente de clústers retrata la “cultura de consulta” en los campus virtuales que desarrollan los estudiantes. / This research develops an extension to the methodology of clusters that make it applicable to a very complex reality: the relationship between query profiles of materials of a virtual campus and academic performance. We applied this methodology in the learnings of Database of engineering studies Higher Technical School of Electronics and Computer d'Enginyeria La Salle ‐URL. This subject is very heterogeneous in content and skills, so it has a complicated evaluation flow which combines algorithmic knowledge tests, practical work or documentation on specific aspects of the subject in order to assign the final grade to a student. The school also offers the chance for students to recover from setbacks in the diversity of specific tests or exercises to be performed, allowing them to present to recoveries at different times of course. Therefore, we have developed a heuristically methodology of "Systems consisting of clusters" by searching for relevant information. The application of the methodology requires a process of trial and error to find models that fit satisfactorily with the reality studied. The thesis text finally published omits many prior attempts before reaching a reasonable and uniform set of techniques with positive results. The approach of "Systems consisting of clusters" had been defined only in the preceding Senmartí thesis (2010) as an alternative to correlational studies or factorial, but needed to consider an extension of the ideas. Our research made variations on it, so that it is capable of being applied to more complex situations that are treated by expostfacto designs. We underline two significant contributions: a) The concept of target cluster, which comes naturally to systems consisting of clusters applied to this type of research on academic performance (which can also be applied in investigations of any kind which have a variable interest i.e. "benefit "," sales ","patients who recover", etc.). b) The guidelines for teaching in higher education coming from the model fit achieved. In particular the finding those students with higher academic performance are more commonly found in clusters of selective queries profile instead of clusters of a comprehensive profile. The system of clusters shows the "culture of consultation" in a virtual campus that students develop.

La tesi estudia aspectes relacionats amb el telecontrol digital de centrals hidràuliques de generació d'energia elèctrica, aportant una estratègia de regulació lineal òptima (RLO) que permet incloure en la formulació -i, per tant, compensar) els retards en el càlcul de l'acció de control. A més, la aportació d'una llei de control multinivell (multirate) permet millorar l'estabilitat quan es produeixen asincronismes entre la recepció de les telemesures i l'enviament de les ordres a les unitats generadores. Per a la validació de resultats, s'ha elaborat un model realista del sistema de generació de la zona catalana, acoblat a la resta peninsular i al francès. També s'aporta un exhaustiu estudi bibliogràfic sobre estratègies de regulació potència-freqüència (RPF) .El la llei de control multinivell, s'ha considerat la possibilitat de reduir l'esforç de generació ponderant les realimentacions dels reguladors de velocitat de diferents unitats generadores. A més de tècniques de control Digital i de RLO; la tesi empra metodologies derivades de la Teoria de Sistemes de Gran Escala (LSS), dissenyant-ne els reguladors d'àrea autònoma (model de dues àrees d'Elgerd y Fosha) sobre una base de suboptimalitat, per posteriorment enfocar en el bloc coordinador tant efectes beneficiosos (Siljak) com perjudicials (Sundareshan) de les interconnexions entre subsistemes de la xarxa elèctrica / Esta tesis estudia aspectos relacionados con el telecontrol digital de las centrales hidráulicas de generación de energía eléctrica, aportando una estrategia de regulación lineal óptima (RLO) que permite incluir en la formulación - y, por tanto, compensar- los retardos de cálculo de la acción de control. Además, la aportación de una ley de control multinivel (multirate) permite mejorar la estabilidad cuando se producen asincronismos entre la recepción de las telemedidas y el envío de órdenes a las unidades generadoras. Para la validación de resultados, se ha elaborado un modelo realista del sistema de generación de la zona catalana, acoplado al resto peninsular y al francés. Además, se aporta un exhaustivo estudio bibliográfico sobre estrategias de regulación potencia-frecuencia (RPF).En la ley de control multinivel, se ha considerado la posibilidad de reducir el esfuerzo de generación ponderando las realimentaciones de los reguladores de velocidad de diferentes unidades generadoras. Además de técnicas de control digital y de RLO; la Tesis usa metodologías derivadas de la teoría de Sistemas de Gran Escala (LSS), diseñándose los reguladores de área autónoma (modelo de dos áreas de Elgerd y Fosha) sobre bases de suboptimalidad, para luego abordar en el bloque coordinador los efectos beneficiosos (Siljak) o perjudiciales (Sundareshan) de las interconexiones entre subsistemas de la red eléctrica. / This thesis assesses some aspects related with the digital telecontrol of hydraulic power plants, contributing with a control strategy based on the optimal linear regulator (OLR) which allows including -and, therefore, to compensate- the delays due to the control action computation in the problem formulation.Besides, the new control law (multilevel & multirate) permits to improve the stability degree when it exists some asynchronism between the telemeasurements reception and the emission to the power units of the control commands. For checking theoretical results (in computer simulation), a realistic model of the Catalan power system (power generation &transportation levels) linked to the rest of the Iberian peninsular system, as well as to the French one, has been made. Additionally, a huge bibliographical study on power-frequency regulation strategies is documented in the thesis. In the design of the multirate control law, the possibility to reduce generation efforts by weighting the feedback signals from different velocity (frequency) regulators has been considered. In addition to the Digital Control and OLR techniques, other methodologies from the Large Scale Systems (LSS) theory have been used. In particular, on a two-area model (Elgerd & Fosha model), the OLR design is made in a sub-optimality basis, being latter enlarged with a coordinator in order to take into account both beneficial (Sundareshan) or damaging (Siljak) aspects due to the electric interconnections with the whole power grid.

La arquitectura de las redes de transporte actuales está basada en la tecnología de transporte SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Las redes SDH se han diseñado y están optimizadas básicamente para el transporte del tráfico de voz. Actualmente, se está experimentando un crecimiento exponencial del volumen de tráfico de datos. Este crecimiento se debe a que el protocolo IP se está consolidando como capa de integración para servicios múltiples, algunos de ellos con requerimientos de Calidad de Servicio (QoS) y también a la introducción de tecnología de acceso de alta velocidad. Las características estadísticas del tráfico de datos son diferentes respecto a las del tráfico telefónico. De hecho, el tráfico IP se caracteriza no solo por su asimetría sino por su naturaleza dinámica, ya que presenta fluctuaciones o picos difíciles de predecir a priori.Como consecuencia, ha surgido la necesidad de emigrar desde las actuales redes hacia una estructura más flexible y dinámica, optimizada para el transporte de tráfico de datos.La evolución de las actuales redes de transporte incluye trasladar todas las funcionalidades de SDH (conmutación, monitorización de la calidad de la señal, protección frente a fallos) a nivel óptico. El resultado consistirá en una red de transporte óptica (Optical Transport Network, OTN) basada en tecnología DWDM, con Optical Cross Connects (OXC) para encaminar canales ópticos de forma permanente o conmutada (Automatic Switched Optical Network, ASON).Uno de los principales problemas a solucionar por las operadoras de red es la eficiente gestión de la capacidad disponible, y así evitar por un lado la necesidad de sobredimensionar la red de transporte y por el otro optimizar la utilización de los recursos mediante la definición de estrategias de ingeniería de tráfico.La introducción de las redes de transporte a conmutación automática (ASON), capaces de proporcionar conexiones ópticas bajo demanda, es considerada como la solución de red que puede proporcionar el rápido y flexible aprovisionamiento de ancho de banda. Tal funcionalidad, posible gracias a la definición de un plano de control basado en el paradigma GMPLS, puede ser usada para gestionar de manera dinámica los recursos disponibles, tanto a nivel SDH como a nivel óptico, respondiendo de forma eficiente a las fluctuaciones del tráfico generado por la red cliente. Sin embargo, el problema que surge es el diseño de un mecanismo para disparar automáticamente las peticiones de establecimiento de circuitos SDH/canales ópticos conmutados.En este sentido, la primera contribución de esta Tesis es el diseño de un mecanismo de disparo de peticiones de circuitos SDH/canales ópticos basado en la monitorización y predicción del tráfico de la red cliente (IP). Además, el mecanismo diseñado incluye la definición de políticas de ingeniería de tráfico para la optimización de la utilización del elevado ancho de banda proporcionado por las conexiones ópticas. Concretamente, el mecanismo diseñado se caracteriza por la interoperabilidad entre la capa cliente y la capa de transporte.La Tesis incluye también una contribución sobre el diseño de una metodología para el dimensionado de la redes ASON, basada en la caracterización del tráfico de llegadas de peticiones de establecimiento de conexiones, mediante su valor medio y el factor de peakedness.Por otro lado, la optimización de los recursos disponibles es muy crítica cuando se produce un fallo en la infraestructura de red debido a la necesidad de encontrar rutas alternativas para el tráfico afectado. Debido al gran volumen de tráfico a transportar, un fallo en la infraestructura de red puede tener graves consecuencias económicas. Por ejemplo, un corte de una única fibra óptica produce el fallo de todas las longitudes de onda que transporta; de esta manera la pérdida de cada longitud de onda operante a 2.5 Gbps o 10 Gbps puede resultar en el corte de un enorme número de conexiones en curso. Por lo tanto, a mayor capacidad, mayor es la importancia de la rapidez y rendimiento de los mecanismos de protección y recuperación.Las estrategias de protección frente a fallos deben ser simples, minimizar las pérdidas de tráfico y deben utilizar eficientemente los recursos disponibles.La recién estandardizada tecnología para redes de entornos metropolitanos, Resilient Packet Ring (RPR) se caracteriza por mecanismos de protección optimizados para minimizar el tiempo de recuperación en caso de fallos. Además, tales mecanismos no requieren la asignación a priori de recursos de red a utilizar solamente en caso de fallos.Por lo que respecta a los mecanismos de recuperación, se puede optar por una estrategia de recuperación en una sola capa (single layer recovery) o alternativamente por una estrategia de recuperación en múltiples capas (multi-layer recovery), donde en la recuperación intervienen diferentes capas de la estructura de red. El esquema de recuperación multi-capas más fácil de implementar es el consistente en ejecutar los mecanismos de protección/recuperación de los distintos niveles de manera paralela e independiente. Esta estrategia no es, sin embargo, la más eficiente. La interoperabilidad entre los mecanismos de protección de las diferentes capas permite reaccionar más rápidamente a los fallos que se pueden producir.La segunda contribución de esta Tesis es el diseño de una política de coordinación entre los mecanismos de protección proporcionados por RPR y los mecanismos de protección definidos por la capa óptica. Concretamente, la estrategia diseñada se basa en la interoperabilidad entre la capa RPR y la capa de transporte (OTN) para redes de entornos metropolitanos. La estrategia diseñada permite, además, la optimización de los recursos de red. / The main objective of the traffic engineering (TE) strategies is the efficient mapping of the actual traffic onto the available network resources. Legacy Time Division Multiplexing-based networking architecture was basically designed to transport symmetric voice traffic. However, the volume of data traffic is increasing at explosive rate and already dominates the voice traffic. This is due to a progressive migration of many applications and services over the Internet Protocol (IP) and also to a deeper and deeper introduction of high-speed access technologies. Also there is the convergence towards the IP of real-time applications (i.e. multimedia applications) which have very strict QoS requirements. The statistical characteristics of the data traffic are rather different from those of telephone traffic. Specifically, IP traffic is highly dynamic showing predictable and unpredictable traffic surges/peaks. Such surges are caused by unexpected events such as user' behaviours, weather conditions, accidents, fault, etc. This can cause significant fluctuations of the aggregated data traffic to be carried by the transport networks. The current SONET/SDH transport networks (but also the incoming Optical Transport Networks) tend to be static, which means that connections (SONET/SDH circuits and light paths) are provided manually through the Network Management System. The manual configuration is time consuming, which means that weeks or even months are needed to provide high bandwidth connections.The highly dynamic IP traffic pattern does not match with the static provisioning of capacity of the optical transport networks, leading to non-optimal utilization of the resources (i.e. network congestion or under-utilization of resources).Thus, the problem that arises for Network Operators is how to efficiently manage the network resources in the transport network to efficiently respond to the changes in the traffic demands reaching, in such a way, traffic engineering objectives. The introduction of the Automatic Switched Optical Networks (ASON), which is able to provide dynamically switched connections on demand, is recognized as the enabling solution to meet the requirement of fast and flexible end-to-end bandwidth provisioning. The automatic set up and tear down of optical connections can be used for the dynamic management of the transport network resources to track significant variations in the volume of the network client traffic. In such a context, a mechanism that triggers demands to set up/tear down light paths as a function of the variation of the client traffic to be transported is required. The design of a multi-layer traffic engineering (MTE) strategy for IP/MPLS over ASON/GMPLS networks to face with the dynamic traffic demands is the first contribution of this Ph.D. Thesis. It has to be underlined that the policies for the set up of the light paths are out of the scope of this work. In fact, it is assumed that the set up/tear down of the switched connections is in charge of the ASON control plane, namely the GMPLS-based routing and signalling protocols.As a second contribution, it is presented a practical approach for ASON networks dimensioning purposes based on the approximate characterization of the traffic arrival process, through its mean and the peakedness factor. On the other hand, the optimization of the utilization of network resources is very critical when failures occur in the network as a consequence of the need of rerouting the affected traffic. The increase of the capacity and number of wavelengths that can be multiplexed onto the same fibre, each one carrying 2.5 or 10 Gbps client signals, implies that outages of the network infrastructure can have serious economical and social consequences. Network recovery/resilience, i.e., the capability of the networks to efficiently recover from failures, has become of vital importance. Thus, optical transport networks need to be very robust to face failures. The protection mechanisms should be designed basically with the aim to be simple, to minimize the traffic losses and to optimize the utilization of the network resources.Survivability strategies in current transport networks are based on the pre-allocation of network resources to be used only to switch (route) the affected traffic in case of failures. In legacy multi-layer networks, each layer (e.g. IP, SDH) has its own protection mechanism built in, independent from the other layers. Network recovery basically relies on the SONET/SDH network layer. Indeed, different mechanisms, based on the protection approach, have been proposed that allow fast recovery within the target of 50 ms. Nevertheless, SONET/SDH protection is mainly limited to ring topologies and it is not able to distinguish between different priorities of traffic and it has not vision of higher layer failures.The emerging packet-based Resilient Packet Ring (RPR) technology for metropolitan networks provides powerful protection mechanisms that minimize the time needed to restore the traffic without the pre-allocation of resources.To face to failures, the resilience single-layer strategy (a single layer has the responsibility for the recovery) is very simple from the implementation point of view. However it may not be able to efficiently recover the network from all kind of failures that can occur. Therefore, multi-layer resilience (various network layers can participate to the recovery actions) provides better performance not only in terms of protection but also in terms of resources optimization. Multi-layer resilience strategies require coordinating the recovery mechanisms provided by each layer. In such a context, another contribution of this Ph.D. Thesis is the design and evaluation of a multi-layer resilience mechanism to be used in the IP over RPR over intelligent optical transport network for metropolitan environment to efficiently face with a wide range of network outages, while optimizing the utilization of the network resources. Its novelty relies on the interworking required between the RPR and the optical transport layer. Finally, the fourth contribution of the Thesis deals with the optimization of the bandwidth utlization of the RPR rings taking benefits from the automatic switching of optical connections capabilities of the underlying ASON/GMPLS networks.