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Las pilas de combustible son muy ventajosas debido a su alta eficiencia en la conversión de energía y nula contaminación. En esta tesis se realiza un extenso estudio sobre el control y diseño de sistemas de generación eléctrica basados en pilas de combustible. El núcleo principal de la misma son los sistemas híbridos con pilas de combustible y supercapacitores como elementos almacenadores de energía, orientado a aplicaciones automotrices. La determinación del Grado de Hibridización (i.e. la determinación del tamaño de la pila de combustible y del número de supercapacitores) se realiza mediante una metodología propuesta con el objetivo de satisfacer requisitos de conductibilidad y consumiendo la menor cantidad de hidrógeno posible.El proceso de diseño comienza con la determinación de la estructura eléctrica de generación del vehículo y utiliza un modelo detallado realizado en ADVISOR, una herramienta para modelado y estudio de sistemas híbridos. Se analiza el flujo de energía a través de los componentes del vehículo cuando el vehículo sigue diferentes ciclos de conducción estándares, mostrando las pérdidas en cada componente que degradan la eficiencia del sistema y limitan la recuperación de energía de frenado. Con respecto a la recuperación de energía, se ha definido y analizado un parámetro que cuantifica la cantidad de energía que realmente es reaprovechada: el ratio frenado/hidrógeno.Para controlar el flujo de energía entre la pila de combustible, los almacenadores de energía y la carga eléctrica, se proponen tres Estrategias de Gestión de Energía (EMS) para Vehículos Híbridos con Pila de Combustible (FCHVs) basadas en el mapa de eficiencia de la pila y se validan mediante un montaje experimental desarrollado para emular el sistema híbrido. Los resultados de consumo de hidrógeno son comparados con dos referencias: el consumo correspondiente al caso del vehículo sin hibridización y el caso óptimo con el menor consumo para el vehículo propuesto. El consumo óptimo se calcula mediante una metodología propuesta que, a diferencia de otras, evita la discretización de las variables de estado.Para operar el sistema eficientemente, la pila de combustible es controlada mediante una metodología de control, basada en Control de Matriz Dinámica (DMC). Esta metodología de control utiliza como variables de control el voltaje de compresor y una nueva variable propuesta: la apertura de una válvula proporcional ubicada a la salida del cátodo. Los objetivos de control son controlar el exceso de oxígeno en el cátodo y el voltaje generado por la pila. Se analiza tanto en régimen estacionario como transitorio las ventajas de emplear esta nueva variable de control y se muestran resultados de funcionamiento por simulación del controlador ante perturbaciones en la corriente de carga.Por otro lado, se aborda el diagnóstico y el control tolerante a fallos del sistema basado en pila de combustible proponiendo una metodología de diagnóstico basada en las sensibilidades relativas de los fallos y se muestra que la estructura de control con las dos variables propuestas tiene buena capacidad de rechazo a fallos en el compresor cuando se controla el exceso de oxígeno en el cátodo. / The use of fuel cell systems based on hydrogen is advantageous because of their high efficiency in the energy conversion and null emissions. In this thesis, an extensive study about the control and design of electrical generation systems based on fuel cells is performed. The main focus is in hybrid systems composed of fuel cells and supercapacitors as energy storage elements, oriented to automotive applications. The determination of the hybridization degree (i.e. the determination of the fuel cell size and the number of supercapacitors) is performed through a proposed methodology with the objective to fulfil the conductibility requirements and to consume the lowest amount of hydrogen.The process of design starts with the determination of the electrical structure and utilizes a detail model developed using ADVISOR, a MATLAB toolbox for modelling and studying hybrid vehicles. The energy flow between the vehicle components is analyzed when the vehicle is tested with different Standard Driving Cycles, showing how the losses in each component degrade the efficiency of the system and limit the energy recovery from braking.With regard to the energy recovery, a parameter to quantify the amount of energy that is actually reused is defined and analyzed: the braking/hydrogen ratio.To control the energy flow between the fuel cell, the energy storage system, and the electrical load in Fuel Cell Hybrid Vehicles (FCHVs), three Energy Management Strategies (EMSs) based on the fuel cell efficiency map are presented and validated through an experimental setup, which is developed to emulate the FCHV. The resulting hydrogen consumptions are compared with two references: the consumption of the pure fuel cell case, a vehicle without hybridization, and the optimal case with the minimum consumption. The optimal consumption for a given vehicle is determined through a methodology proposed that, unlike other previous methodologies, avoids the discretization of the state variables.To operate the fuel cell system efficiently, the system is controlled through a proposed control technique, which is based on Dynamic Matrix Control (DMC). This control technique utilizes the compressor voltage as control variable and also a new proposed variable: the opening area of a proportional valve at the cathode outlet. The control objectives are the control of the oxygen excess ratio at the cathode and the fuel cell voltage. The advantages of this new control variable are analyzed both in steady state and transient state. Simulation results show and adequate performance of the controller when a series of step changes in the load current is applied.On the other hand, the diagnosis and fault-tolerant control of the fuel cell-based system is approached. A diagnosis methodology based on the relative fault sensitivity is proposed. The performance of the methodology to detect and isolate a set of proposed failures is analyzed and simulation results in an environment developed to include the set of faults are given. The fault-tolerant control is approached showing that the proposed control structure with two control variables has good capability against faults in the compressor when the oxygen excess ratio in the cathode is controlled.

Los dispositivos de almacenamiento de energía térmica son ampliamente usados en diversos sistemas térmicos caracterizados por un desfase temporal entre la producción de energia y su consumo, como es el caso de los sistemas de energía solar térmica. El diseño optimizado de estos equipos puede representar un considerable aumento en el rendimiento térmico de la instalación de la cual forman parte. En la línea de optimización de sistemas y equipos térmicos, en los últimos años la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) se ha consolidado como una herramienta básica, proporcionando a investigadores e ingenieros un método para ensayar virtualmente sus diseños, disminuyendo los costes en términos de tiempo, recursos y personal. Es en esta línea se encuentran las principales aportaciones de esta tesis, la cual tiene como principal objetivo la simulación numérica de procesos de convección laminar en régimen transitorio y dominios cilíndricos para su aplicación al estudio de los fenómenos de transferencia de calor y dinámica de fluidos que tienen lugar en los tanques de almacenamiento de energía.Se presenta la metodología seguida para la resolución de las ecuaciones gobernantes de la transferencia de calor y dinámica de fluidos en coordenadas cilíndricas, mostrando las principales particularidades de su discretización para este tipo de geometrías y se detalla el tratamiento realizado para resolver estas singularidades dentro del código numérico. Posteriormente, se expone la metodología para la solución de flujos transitorios e incompresibles y se realiza un riguroso proceso de verificación del código y las soluciones numéricas obtenidas. Esta metodología se aplica al estudio del comportamiento de los tanques de almacenamiento de energía estratificados. Un aspecto básico del funcionamiento de estos equipos es la calidad de la energía almacenada. Esta calidad viene determinada por el grado de estratificación térmica, en la cual influyen diferentes factores como la mezcla que ocurre debido a las corrientes de fluido que entran durante los procesos de carga y descarga térmica y también debido al intercambio de calor con el ambiente. En este sentido, en este trabajo se analiza la estratificación térmica para diferentes condiciones de trabajo y configuraciones por medio de las simulaciones numéricas multidimensionales. Para medir el grado de estratificación se han tenido en cuenta diferentes parámetros y como resultado del estudio, se propone un parámetro adimensional basado en un análisis exergético. Esta exergía adimensional ha permitido comparar el funcionamiento de los tanques en las diferentes situaciones analizadas y se ha mostrado útil para cuantificar la calidad de la energía almacenada.Por otra parte, se estudia el comportamiento térmico de los tanques de almacenamiento durante su modo de operación estático y considerando las pérdidas de energía al ambiente. Este estudio tiene como objetivo fundamental caracterizar el proceso de enfriamiento del fluido en tanques que forman parte de sistemas solares térmicos para el rango de bajas y medianas temperaturas. Se presenta la metodología seguida para el análisis, desde la identificación de los números adimensionales que definen el problema, la formulación de un modelo zonal para la predicción del comportamiento térmico, el estudio paramétrico llevado a cabo y el posterior post-proceso de los resultados con el objetivo de proporcionar los parámetros necesarios para alimentar el modelo zonal. El modelo propuesto, junto con las correlaciones obtenidas, predicen correctamente el comportamiento del fluido, constituyendo una alternativa interesante para reproducir el proceso de enfriamiento del fluido en los tanques durante largos periodos de tiempo. / Thermal storage devices are widely used in many thermal systems and applications that are characterised by the delay between energy production and consumption, such as thermal solar systems. The improvement in their design and optimisation is a key aspect in the thermal optimisation of the system, where a good preformance of the storage tank can represent a considerable increase in the overall efficiency of the installation. In the subject of optimisation of thermal equipment, Computational Fluid Dynamics have been consolidated as an indispensable tool providing researchers and engineers with a method to test virtually their prototypes with low effort in time, personnel and resources. This thesis is focused in the numerical simulation of unsteady laminar convection in cylindrical domains and its application to the study of the heat transfer and fluid flow that take place in stratified storage tanks. The first part of this document is devoted to present the methodology followed for the numerical resolution of the governing equation of heat and fluid flow in cylindrical coordinates. The main particularities of the discretisation of the equations in these geometries, as well as the solution procedure for incompressible and transient flow problems are also presented. Special emphasis is given to the verification of the code, the appropriateness of the discretisation adopted and the verification of the numerical solution obtained.The second part of this thesis is focused on the study of the heat transfer and fluid flow phenomena that take place in stratified storage tanks, including the performance measures and modeling efforts of these devices. The quality of the energy stored is determined by the degree of the thermal stratification of the storage tank, which is affected by several factors such as the mixing due to the inlet streams during load and unload, the heat losses to the environment, among others. In this sense, thermal stratification analysis is carried out by means of the virtual prototyping of the tanks for different working conditions and configurations. In order to measure the performance of the tanks, different parameters are considered. The analysis led to the proposition of a new exergy-based parameter as a tool for assessing and comparing storage tanks. The usefulness of this parameter for quantifying the quality of the energy stored is also shown.Furthermore, the thermal behaviour of storage tanks during the static mode of operation considering the heat losses to the environment is also analysed. The study is addressed to characterise the cool down of the fluid inside storage tanks for solar thermal systems in the low-to-medium temperature range. The methodology followed, from the identification of the significant non-dimensional parameters that define the problem, the formulation of a zonal prediction model, a parametric numerical study by means of detailed multidimensional CFD computations and the post-processing of the results in order to feed the global model are exposed in detail. Zonal model presented, together with the correlations given are in good agreement with the numerical results and constitute an alternative for the prediction of the long-term performance of the storage tanks during the cooling process.

Esta tesis ha surgido por la confluencia de dos factores. Por un lado, mi interés en los mercados financieros y en especial por los más innovadores, como pueden ser los de derivados y, por otro, la liberalización y la consiguiente implementación de mercados en el sector eléctrico. Para estudiar los mercados eléctricos que se han ido creando internacionalmente, ha sido necesario adentrarnos en la estructura del sector, antes y después de la liberalización, lo que fue una labor difícil, dada la complejidad de estos peculiares mercados. Así mismo, se estudió el proceso liberalizador seguido en los países desarrollados, observándose que, en general, han pasado de unos monopolios verticalmente integrados, a una estructura en la que se configuran dos mercados: uno al por mayor (wholesale) y otro al por menor (retail). En esta nueva estructura permanecen dos monopolios naturales: el de transporte y el de distribución, administrados por entes reguladores con posibilidad de acceso de los distintos participantes en los mercados, mediante el pago de unas tarifas o peajes. Prácticamente todos los países analizados han comenzado por implementar, primero el mercado wholesale y, posteriormente, el retail. El crear de inicio un mercado y aplazar el establecimiento del otro, es dudoso que sea un acierto, no obstante, son los mercados wholesale los que proporcionan más datos y más estudios para debatir. Si bien la reestructuración del sector eléctrico se pensó para darle una mayor eficiencia, también trajo riesgos tales como la extrema volatilidad en los precios; la misma que según experiencias internacionales, se ha cubierto o, mejor dicho, redistribuido, con instrumentos financieros derivados.La electricidad, única por sus características, tiene que ser suministrada al instante, es decir no se puede almacenar, una particularidad que provoca que los generadores produzcan a su máxima capacidad en momentos punta, causando un aumento sustancial en los precios. Así pues, este riesgo ahora tiene que ser asumido por los participantes del mercado: los generadores querrán asegurar un precio que cubra sus costes de producción y los suministradores, por su parte, buscarán cubrir un precio que asegure un precio de venta. La mayoría de los países estudiados en esta tesis, primero han liberalizado el sector eléctrico y, posteriormente, han creado un mercado de instrumentos derivados sobre sus precios, con un gran número de participantes, lo que ha provocado que se redistribuya el riesgo, es decir, que existan algunos participantes menos adversos al riesgo que quieran asumirlo y, a su vez, otros menos adversos que asuman posiciones contrarias. Siendo la electricidad un elemento indispensable en una economía y para la subsistencia actual, es importante que sus precios se mantengan al alcance de los usuarios finales. Los instrumentos derivados han venido a dar confianza y certeza en los precios, la misma que hace que cualquier mercado financiero funcione eficientemente.La gran mayoría de artículos en revistas especializadas han reconocido que la introducción de instrumentos derivados podría disminuir la volatilidad de los precios spot. La creación reciente del mercado de futuros de la península Ibérica ha hecho posible que participáramos e hiciéramos nuestra aportación en este tema. Así, utilizando técnicas de procesos estocásticos para calcular la volatilidad de los precios spot, y el análisis estadístico de regresión, se llega a la conclusión de que, en principio, en el caso español, la implementación del mercado de futuros ha disminuido la volatilidad de los precios spot.Finalmente, y como una parte trascendental de esta investigación, se analiza el sector eléctrico de México -uno de los pocos países de la OCDE que no ha optado por una liberalización-: un sector ineficiente para el que como aportación, se establecen aquí -tras un análisis exhaustivo de experiencias internacionales exitosas-, una serie de propuestas para una posible desregulación y posterior aplicación de instrumentos derivados eléctricos en el existente mercado de derivados MexDer.

Microgrids are the near future candidate to reduce the dependence on the carbon-based generation, towards a more environmentally friendly and sustainable energy paradigm. The popularization of the use of renewable energy sources has fostered the development of better technologies for microgrids, particularly power electronics and storage systems. Following the improvements in microgrid technologies achieved in the last decade, a new challenge is being faced: the control and management of microgrids for its operation in islanded mode, in addition to its large scale integration into the current electrical power system. The unregulated introduction of distributed generation based on renewable energy sources into the power system could cause as many problems as it would solve. The unpredictability of the generated power would introduce large disturbances into the electric system, making it difficult to control, and eventually resulting in an unstable system. To overcome these issues, the paradigm of microgrids has been proposed: a small power system, able to operate islanded from the main grid, which will permit the large scale introduction of renewable energy sources interfaced with power electronic converters together with energy storage systems into the distribution grids. Microgrids¿ ability to allow their users to operate islanded from the utility grid, brings the potential to offer a high quality of service. It is in the islanded operation mode, particularly in microgrids with a high proportion of renewable based generation, where the major technical challenges are found. This thesis focuses in three of the main challenges of islanded and weak electrical grids: the power converter control of electrical storage systems, its decentralized control design, and also the improvement of power quality in grids disturbed by renewable generation. These topics are addressed from a control point of view, that is, to tackle the electrical problems, modelling them and proposing advanced control strategies to improve performance of microgrids. Energy storage system are a vital element to permit the islanded operation of microgrids, either in the long or short term. New control strategies are proposed in this thesis for the improvement of the converters¿ performance. In addition to the control of the converter, the management and control of different energy storage systems for microgrids are also studied. In particular, supercapacitors and batteries have been considered for the short and long term operation, respectively. Then, the control of islanded microgrids is addressed. Typical controls for islanded microgrids are analysed and new tools for designing stable controllers are proposed. Also, methodologies to analytically obtain the operating point (power flow) of droop controlled grids are studied and proposed. The high penetration of renewable energy sources in weak low-voltage grids results in undesirable electrical disturbances. This problematic in power quality is tackled and innovative solutions to mitigate it are proposed. In particular, a novel power smoothing scheme with simultaneous state of charge regulation of the ESS and power filtering. The new power smoothing scheme, along with the proposed control strategies for storage systems have been experimentally validated in a laboratory test bench, using a supercapacitor bank and a high power lithium-ion battery available at IREC's facilities. / Les microxarxes són les candidates en un futur a curt termini, a substituir la generació basada en el carbó, de cara a assolir un sistema energètic més respectuós amb el medi ambient i més sostenible. La popularització de l'ús d'energies renovables ha fomentat la millora de les tecnologies per a microxarxes, en particular els sistemes d'emmagatzematge i l'electronica de potència. Desprès de les millores en tecnologies de microxarxes aconseguides durant l'última dècada, hi ha un nou repte al qual fer front: el control i gestió de microxarxes per la seva operació aïllada, a més de la integració a gran escala dins del sistema elèctric actual. La introducció descontrolada de fonts de generació distribuides en el sistema elèctric pot causar tants problemes com els que podria sol·lucionar. La incertesa en la producció elèctrica pot introduir grans pertorbacions al sistema elèctric, fent-lo difícil de controlar, i fins i tot el pot arribar a inestabilitzar. Per tal de fer front a aquestes dificultats, es proposa el paradigma de microxarxa: un petit sistema elèctric capaç d'operar de forma aïlla de la xarxa de distribució elèctrica, el qual hauria de permetre la integració a gran escala d'energies renovables a través de l'electrònica de potència, juntament amb sistemes d'emmagatzematge d'energia, dins de les xarxes de distribució. Les microxarxes permeten als seus usuaris a funcionar aillats de la xarxa elèctrica, donant la possibilitat d'oferir una alta qualitat de servei. És en el mode de funcionament aïllat, particularment en microxarxes amb una altra proporció de generació basada en renovables, on es troben la major part de reptes tecnològics. Aquesta tesi es centra en tres d'aquests reptes de les xarxes aillades i dèbils: el disseny del control per a convertidors de potència per a sistemes d'emmagatzematge elèctric, el control descentralitzat de les microxarxes i també la millora en la qualitat de subministre elèctric en xarxes afectades per generació renovable. Aquestes temes es tracten des d'el punt de vista de la teoria de control de sistemes, aixó significa, abordar el problema elèctric, modelar-lo, i proposar estrategies de control avançades per millorar el funcionament de les microxarxes. Els sistemes d'emmagatzematge són un element vital per permetre l'operació aïllada de les microxarxes, tant a llarg com a curt termini. En aquesta tesi es proposen noves estratègies de control per millorar el funcionament dels convertidors d'electrònica de potència. A més del control del convertidor, també s'estudia la gestió i control de diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia per a microxarxes. En particular, supercondensador i bateries s'han considerat per l'operació a curt i llarg termini respectivament. Seguidament, s'enfila el control de microxarxes aïllades. S'analitzen els controls típics per a microxarxes i es proposen noves eines de disseny que permeten garantitzar l'estabilitat. A més a més, metodologies per a obtenir el punt d'operació (el flux de potènica) per a xarxes amb control tipus "droop" també s'estudien i proposen. L'alta penetració de fonts d'energia renovables en xarxes de baixa tensió i febles resulta en pertorbacions elèctriques indesitjables. Aquesta problematica en la qualitat de subministrament s'aborda i es proposen solucions inovadores per mitigar els efectes negatius. En particular, s'ha proposat un nou sistema de suavitzat de potència que regula simltaneament l'estat de càrrega del sistema d'emmagatzematge i filtra la potencia fluctuant. El nou esquema de suavitzat de potència, juntament amb les estrategies proposades per als sistemes d'emmagatzematge elèctric s'han validat experimentalment en un banc de laboratori, emprant superconsadors i una bateria d'alta potència, disponibles a les instal·lacions de l'IREC.

De entre los nuevos servicios ofrecidos por las actuales redes de banda ancha, los que incluyen la transmisión de secuencias de vídeo se convertirán en un futuro próximo en algunos de los más solicitados por los usuarios. Actualmente, estos servicios son principalmente transportados por canales de tasa binaria constante. Sin embargo, el tráfico de vídeo es por naturaleza variable, con lo que la utilización de recursos de red se vería sustancialmente mejorada utilizando canales de tasa variable.En este trabajo se plantea el problema de la transmisión eficiente de tráfico de vídeo comprimido MPEG de tasa variable sobre redes ATM de banda ancha. Para ello, en primer lugar se realiza un estudio de los algoritmos de compresión y de los mecanismos de transmisión más comúnmente utilizados en la actualidad. Además, se introducen algunas de las especificaciones que se encargan de estandarizar sistemas y servicios relacionados con la transmisión de vídeo, como el vídeo bajo demanda del ATM Forum o las especificaciones DAVIC.Posteriormente se lleva a cabo una caracterización del tráfico de vídeo, con objeto de entender la naturaleza del tráfico que se va a entregar a la red para su transmisión. Una de las principales características de este tipo de tráfico es la presencia de dependencias a corto y largo plazo. Estas dependencias son modeladas en este trabajo mediante un filtro ARIMA fraccional, que finalmente se propondrá para la generación artificial de tráfico de vídeo.Uno de los principales problemas inherentes al algoritmo de codificación MPEG es que la tasa binaria resultante presenta un comportamiento periódico que se repite cada cierto número de imágenes. Este comportamiento es perjudicial tanto cuando se trata de asignar eficientemente recursos de red como cuando se trata de multiplexar distintas secuencias de vídeo. Con objeto de eliminar este comportamiento sin introducir retardos adicionales, se propone un conformador predictivo de tráfico que es comparado con otros esquemas propuestos. La comparación se lleva a cabo por un lado mediante el estudio de los parámetros y funciones que definen la variabilidad de las secuencias estudiadas. Por otra parte, se analizan los recursos necesarios para la transmisión y multiplexación de fuentes de vídeo conformadas y sin conformar.Finalmente, con objeto de lograr una utilización lo más eficiente posible de los recursos de red, manteniendo una alta calidad de servicio, se propone un esquema de renegociación del ancho de banda asignado. Con este sistema, en momentos de menor actividad se liberarán recursos que podrán ser utilizados por otras conexiones, tanto de servicios de vídeo a tasa variable, como de servicios de tasa constante o de tasa disponible. Por el contrario, en momentos de gran actividad, se podrán solicitar más recursos a la red de forma que el usuario final no perciba ningún cambio en la calidad del servicio que se le está suministrando. El método presentado se basa en la caracterización previa del tráfico de vídeo mediante un modelo de fluidos bidimensional que captura las dependencias a corto y largo plazo del tráfico. Al ser utilizado para la transmisión de un tráfico que previamente ha sido conformado, el modelo debe capturar el comportamiento del tráfico promediado sobre un determinado número de imágenes. Además, permite la detección de los intervalos de distinta actividad, que se han denominado de actividad regular, de gran actividad y de actividad elevada.

Hoy en día, entre los servicios más solicitados por los usuarios en las redes de comunicaciones, se encuentran aquellos que incorporan información multimedia. En Internet, es habitual que un gran número de páginas web incorporen imágenes, información de audio y en algunos casos, información de vídeo. Sin embargo, debido a que Internet sólo ofrece un servicio de entrega best-effort, la información audiovisual recibe el mismo tratamiento que el dispensado a cualquier otro tipo de datos poco sensibles al retardo temporal. Con el fin de desarrollar nuevos marcos de operación que permitan la diferenciación en el tratamiento de los servicios sobre redes basadas en IP, el IETF ha propuesto dos arquitecturas de red con calidad de servicio: IntServ y DifServ. De esta forma se pretende soportar adecuadamente la transmisión de flujos inelásticos de tasa variable mediante la ubicación de recursos especialmente dedicados al transporte de servicios con restricciones temporales acotadas. Actualmente, el tráfico de vídeo se transporta principalmente a través de canales de tasa binaria constante. Sin embargo, este tráfico es por naturaleza variable, con lo que la utilización de los recursos de red se vería sustancialmente mejorada utilizando canales de tasa variable.En este trabajo se plantea el problema de la transmisión eficiente de tráfico de vídeocomprimido MPEG de tasa variable sobre redes IP con calidad de servicio. Para ello, en primer lugar se realiza un, estudio de los algoritmos de compresión más comúnmente utilizados en la actualidad. A continuación, se realiza un análisis detallado de las distintas alternativas para la transmisión de vídeo en redes IP. En primera instancia se ha descrito la problemática del transporte de vídeo en redes de conmutación de paquetes sin garantías de servicio, discutiendo la necesidad de la aplicación de técnicas de control de tasa y suavizado de tráfico.Posteriormente se han introducido las nuevas arquitecturas IntServ y DiffServ especificadas para dar soporte a servicios con un nivel de calidad garantizado. Sobre estas arquitecturas se han discutido las posibles alternativas de transmisión de vídeo sobre redes IP con QoS y la adecuación de los esquemas de codificación de vídeo estandarizados que pueden ser aplicados sobre ellas.A partir de este estudio se ha puesto de relieve la necesidad de la caracterización del tráfico de vídeo ya que requiere de elevados anchos de banda que además fluctúan ampliamente a lo largo de la conexión. La caracterización del tráfico se ha llevado a cabo a través del modelado MMFP bidimensional de los flujos de vídeo VBR a nivel de GoP. El estudio se ha realizado con un amplio conjunto de secuencias codificadas VBR con diferentes niveles de calidad y resolución espacial. Los resultados han demostrado la aplicabilidad de este modelo de forma general sobre cualquier secuencia de vídeo con independencia de su resolución o nivel de degradación introducido en el proceso de codificación. Una de las principales contribuciones al modelado de estos servicios ha sido el desarrollo de una metodología de ajuste de los parámetros del modelo MMFP bidimensional que permite una automatización del proceso de caracterización del tráfico de vídeo.Una vez se ha alcanzado un conocimiento de comportamiento del tráfico de vídeo de calidad de imagen constante, se ha abordado su transmisión sobre redes IP con QoS. El marco de trabajo contempla la aplicación de mecanismos de renegociación y de asignación dinámica de recursos. El trafico de vídeo detasa variable es un ejemplo claro en el que un sistema de renegociaciones maximiza la eficiencia de los recursos de red. La gran variabilidad de tasa binaria exhibida por este tipo de tráfico y su grado de persistencia hacen apropiada la aplicación de técnicas de segmentación sobre las secuencias de vídeo. En este trabajo se han analizado diferentes esquemas de renegociación y se ha estudiado su aplicabilidad en el contexto de redes IP con QoS y facilidades de renegociación de recursos por conexión. Se han analizado las técnicas "Work-ahead buffering" donde se explota intensivamente el buffer del cliente para almacenar datos enviados "por adelantado". El estudio ha permitido derivar una nueva propuesta denominada 2-RCBR. Complementariamente, se ha derivado una nueva técnica de segmentación basada en el modelo MMFP bidimensional analizado, obteniéndose un esquema de segmentación genérico e independiente de la resolución y del factor de cuantificación utilizado ella codificación de las secuencias. Este método, que se ha denominado método de los umbrales genéricos, permite desarrollar una segmentación de una secuencia de vídeo de forma extraordinariamente simple con un elevado nivel de eficiencia. Por otro lado, teniendo en cuenta que se desea fijar una cota máxima del retardo extremo a extremo durante el servicio de video streaming, se ha propuesto una nueva técnica de segmentación basada en el retardo máximo aceptado, garantizando un retardo máximo dentro de la red IP para cada segmento transmitido.La última parte del trabajo ha desarrollado la arquitectura de transmisión escalada sobre redes IP. A raíz de los excelentes resultados obtenidos hasta el momento, se ha procedido a aplicar la misma metodología para la codificación escalable. Se ha caracterizado el flujo escalable de tasa variable mediante el modelo MMFP bidimensional y se han aplicado las técnicas de segmentación propuestas anteriormente. Los resultados obtenidos han seguido el comportamiento esperado, pudiéndose considerar satisfactorios.

This thesis focuses on the issues related to the thermal diagnostics aboard the space mission LISA Pathfinder (LPF). LPF is a technological mission devoted to put to test critical subsystems for the LISA mission. LISA will be the first space born gravitational wave (GW) observatory with the main objective of detecting GWs. GWs are ripples of the space-time geometry caused by acceleration of masses in an asymmetric way. Their detection requires put test masses (TMs) in an almost perfect inertial frame (or free fall).Non-inertial forces perturbing the TMs must be less than 6 fN/sqrt(Hz) in the frequency range of 0.1 mHz to 0.1 Hz and the noise in the measurement between the TMs (separated by 5 Gm) must be of 40 pm/sqrt(Hz) in the same band. To reduce the risks of a direct launch of LISA, ESA has decided to first launch LPF to put all the LISA technologies to test.The payload of LPF, the LISA Technology Package (LTP), contains two TMs placed in two cylinders inside a single spacecraft (SC) and an interferometric system that measures the relative distance between them. The SC isolates the TMs from the external disturbances but internal stray forces will still perturb the TMs. Their levels must be bounded not to challenge the free fall accuracy. One of these disturbances is temperature fluctuations and the aspects related to their measurement are the leitmotif of this thesis.In chapter 1 we have presented how temperature fluctuations couple into the key subsystems of the LTP to degrade their performance. The foreseen effects are radiation pressure, radiometer effect, temperature coefficient of optical components, etc. Onground estimations conclude that the temperature stability in the LTP must be less than 100 microK/sqrt(Hz) in the frequency range of 1 mHz to 30 mHz (LTP band). Since temperature fluctuations are an important issue in LPF and in LISA, a thermal diagnostic subsystem is needed aboard both missions.The task of the thermal diagnostics in the LTP is twofold: on the one hand, temperature fluctuations in different subsystems must be measured with noise levels of 10 microK/sqrt(Hz) in the LTP band. On the other hand, a set of heaters will generate heat pulses that in conjunction with temperature measurements will be used to estimate the actual coupling between temperature and systems performance. These actions will provide information on the behaviour of the system and will permit to identify the fraction of noise in the system coming from temperature issues. The main function of LPF, as precursor mission of LISA, is the understanding of all the noise sources in the system. This will provide clues to the final leap from LPF sensitivity to LISA one.The main investigations carried out during this thesis can be split into three main categories: (i) the design and validation of the LTP temperature measurement subsystem (TMS); (ii) the extension of the system to the LISA requirements; and (iii) the analysis of the in-flight thermal experiments in the LTP. The thesis is organised as follows: in chapter 2 we describe the designed electronics and the temperature sensors chosen. Aspects related to the coupling of the TMS with other subsystems nearby are discussed in chapter 3. Chapter 4 focuses on the design of the testbed needed for the validation of the TMS. Two different testbeds are described: one for the LTP measurement bandwidth (MBW) and another one for the LISA MBW, 0.1 mHz. In chapter 5 we present the results of the test campaigns: the prototype, the engineering model and the flight model systems were put to test. The results of the investigations in the LISA band are also shown. Chapter 6 contains investigations in view of LISA requirements to reduce excess noise at very low frequency and to reduce the floor noise of the measurement. Chapter 7 focuses on the thermal experiment on-board LPF: a set of thermal excitations are proposed to extract information of the thermal behaviour of the key subsystems of the LTP.

L'acústica de sales s'encarrega de l'estudi del comportament de les ones sonores en espais tancats.La informació acústica de qualsevol entorn, coneguda com la resposta impulsional, pot ser expressada en termes del camp acústic com una funció de l'espai i el temps. En general, és impossible obtenir solucions analítiques de funcions resposta en habitacions reals. Per tant, en aquests últims anys, l'ús d'ordinadors per resoldre aquest tipus de problemes ha emergit com una solució adecuada per calcular respostes impulsionals.En aquesta Tesi hem centrat el nostre anàlisis en els mètodes basats en el comportament ondulatori dins del domini temporal. Més concretament, estudiem en detall les formulacions més importants del mètode de Diferències Finites, el qual s'utilitza en moltes aplicacions d'acústica de sales, i el recentment proposat mètode PseudoEspectral de Fourier. Ambdós mètodes es basen en la formulació discreta de les equacions analítiques que descriuen els fenòmens acústics en espais tancats.Aquesta obra contribueix en els aspectes més importants en el càlcul numèric de respostes impulsionals: la propagació del so, la generació de fonts i les condicions de contorn de reactància local. / Room acoustics is the science concerned to study the behavior of sound waves in enclosed rooms. The acoustic information of any room, the so called impulse response, is expressed in terms of the acoustic field as a function of space and time. In general terms, it is nearly impossible to find analytical impulse responses of real rooms. Therefore, in the recent years, the use of computers for solving this type of problems has emerged as a proper alternative to calculate the impulse responses. In this Thesis we focus on the analysis of the wavebased methods in the timedomain. More concretely, we study in detail the main formulations of FiniteDifference methods, which have been used in many room acoustics applications, and the recently proposed Fourier PseudoSpectral methods. Both methods are based on the discrete formulations of the analytical equations that describe the sound phenomena in enclosed rooms. This work contributes to the main aspects in the computation of impulse responses: the wave propagation, the source generation and the locallyreacting boundary conditions.

Els oceans mantenen una fràgil i complexa cadena que enllaça un alt nombre de factors biològics, sociològics i econòmics. Actualment, aquest ecosistema està amenaçat per l'activitat humana i uns dels punts més crítics és la sobreexplotació pesquera. Això ha despertat la consciencia de les autoritats d'arreu per a protegir l'entorn marí i assegurar, així, la seguretat i supervivència dels éssers humans. Tal objectiu demana el desenvolupament de polítiques de control que monitorin l'activitat dels vaixells. Fins l'actualitat, diferents propostes s'han estudiat per monitorar vaixells, com per exemple transpondedors, teledetecció òptica i sensors acústics passius. L'experiència en entorns reals ha demostrat que cap d'aquestes solucions és eficient. Una alternativa poden ser els Radars d'Obertura Sintètica (SAR). Aquests sistemes utilitzen les propietats de reflectivitat i dispersió dels vaixells per identificar-los amb independència de qualsevol fenomen atmosfèric i del cicle dia/nit. El sensors SAR sintetitzen una obertura més gran que la real permetent l'obtenció d'imatges de reflectivitat d'uns quants kilòmetres d'amplada amb una resolució de pocs metres.En la monitorització de vaixells, la tecnologia SAR ha demostrat unes bones prestacions per la detecció. Treu profit del fet que els vaixells dispersen més energia que el mar i, així, apareixen en les imatges com punts molt brillants. Però, la seva utilitat en la identificació de vaixells encara no està clara. Hi ha dues limitacions importants: 1) les resolucions dels sistemes actuals no semblen suficients per aïllar característiques geomètriques a partir de la informació de reflectivitat i 2) les distorsions que les signatures dels vaixells experimenten en entorns marins. Aquests problemes es poden resoldre parcialment si s'utilitzen dades SAR multidimensional. Aquest concepte es refereix al fet d'adquirir imatges SAR modificant un o més paràmetres del sistema. En la classificació de vaixells, hi ha dues opcions clares: 1) Polarimetria SAR (PolSAR) que utilitza les dues components polarimètriques de l'ona EM i 2) la Interferometria SAR que s'obté per la combinació de dues imatges SAR adquirides des de posicions molt properes. Per a una banda, la polarització de l'ona EM és una propietat intrínseca de l'ona que ajuda a aïllar estructures geomètriques particulars per mitjà de la teoria de descomposició de blancs (TD). Per l'altra, la interferometria treu profit de la diferencia de fase entre les dues imatges SAR per obtenir la tercera dimensió de l'escena.PolSAR and InSAR presenten grans possibilitats per la monitorització de vaixells ja que poden solucionar algunes de les limitacions dels mètodes clàssics. Desafortunadament, encara no han estat profundament estudiades a causa de les dificultats en obtenir dades reals validades. Això ha limitat el nombre d'estudis en aquesta temàtica. En aquest entorn, la tesi està orientada a avaluar fins a quin punt les tècniques PolSAR i InSAR poden ser útils per la monitorització de vaixells. Per a tal propòsit, s'han fixat quatre objectius importants:1. El desenvolupament d'un simulador SAR eficient que doni imatges realistes de vaixells i que solucioni el dèficit de dades reals en entorns marins.2. L'estudi de la dispersió dels vaixells que fixi els principals mecanismes de dispersió observats en imatges SAR i com es relacionen amb la geometria dels vaixells. 3. Un estudi de les prestacions de les tècniques actuals d'anàlisis de dades PolSAR en la classificació de vaixells.4. El desenvolupament d'un mètode nou i eficient per la identificació de vaixells.Al llarg de la tesis, els diferents punts seran estudiats i resolts. El desenvolupament de GRECOSAR, un simulador SAR de blancs complexes que dóna imatges de vaixells similars a les adquirides en entorns reals, ha estat essencial per estudiar les propietats de dispersió dels vaixells. Ha permès demostrar que els vaixells es poden distingir a partir del seu patró dispersiu, el qual és senzill i dominat per alguns dispersors guia que presenten una marcada estabilitat i potència de dispersió. Amb aquests resultats ha estat possible desenvolupar un nou mètode que pot identificar vaixells sota condicions d'observació adverses. Combina característiques polarimètriques i interferomètriques SAR (PolInSAR) per inferir estimacions 3D de la geometria dels vaixells. Diferents tests han demostrat que aquest mètode dóna una millor fiabilitat en la identificació que altres mètodes actualment disponibles. Malgrat tot, fixa uns requeriments tecnològics més elevats, sobretot en la resolució de les imatges i en les característiques PolInSAR. La nova generació de sensors SAR els poden cobrir. / Oceans support a complex and fragile chain that links a high number of biological, sociological and economical factors. In these days, this ecosystem is endangered by human activity and one of the main hot spots is overfishing. As a result, authorities worldwide have become aware about the necessity to law-protect the marine environment in order to assure the safety and sustenance of human beings. This demands the development of fisheries policy to monitor the activities of ships.Up to now, different vessel monitoring proposals have been considered, for instance transponders, optical remote sensing or passive acoustic sensors. The lessons learnt in real scenarios have shown that none of these solutions is efficient. A feasible option may be the so-called active Synthetic Aperture Radar (SAR) technology. It uses the reflectivity/scattering properties of vessels for basing the identification process with independence of any atmospheric phenomena and day/night cycle. SAR sensors synthesize an antenna aperture larger than the real one and this allows to acquire reflectivity images of some tens of kilometers wide with a resolution of few meters.In vessel monitoring, SAR imagery has proven good performance for vessel detection. They take profit of the fact that vessels normally backscatter more power than the sea and, hence, they appear in the images as bright spots. But their usefulness in vessel identification has not been established yet. There are two main limitations, namely: 1) the resolution of current systems that appears to be not enough for isolating geometrical features from the reflectivity information of SAR images and 2) the distortions that vessel' signatures experiment within sea scenarios. Such problems can be solved up to certain extend if multidimensional SAR data is used. This concept refers to the possibility to acquire different SAR images by modifying one or more imaging parameters. In the scope of vessel classification, there are two main options, namely: 1) SAR polarimetry (PolSAR) that refers to the usage of the two polarimetric components of the EM wave and 2) SAR interferometry (InSAR) derived by combining two SAR images acquired from slightly different positions. On the one hand, the polarization of an EM wave is an intrinsic wave property that helps on identifying specific geometrical structures via Target Decomposition (TD) theory. On the other hand, Interferometry takes profit of the phase difference between the two SAR images to retrieve the third dimension of the scene.PolSAR and InSAR have great potentialities for supporting vessel monitoring as they can overcome some of the limitations of classical methods. Unfortunately, they have not been exploited yet due to the difficulties on having at one's disposal real data with reliable ground-truth. This has limited the number of works tackling such issue. In this framework, the current thesis is focused to evaluate up to which extend PolSAR and InSAR imagery are reliable for vessel monitoring. For such purpose, four main goals are proposed, namely:1. The development of an efficient SAR simulation environment that provides realistic vessel SAR images and overcomes the current data deficiency related to marine scenarios.2. The study of vessel scattering to fix the main polarimetric scattering mechanisms observed in vessel SAR images and how they are related with the geometries of vessels.3. A performance study of current analysis tools of PolSAR data in vessel classification.4. The development of a novel and efficient methodology for vessel identification.Along the thesis, the different points are studied and solved. The development of GRECOSAR, a SAR simulator of complex targets able to provide vessel images similar to those obtained in real scenarios, has been essential for studying the scattering properties of vessels. It has allowed to show that vessels can be distinguished by means of their scattering pattern, which appear to be not so complex and dominated by some guide scatters that present a marked reflectivity stability and scattered power. With these results, a new approach able to identify vessels even under adverse observation conditions has been developed. It combines polarimetric and interferometric SAR (PolInSAR) capabilities to retrieve 3D estimates of the geometry of ships. Different tests have shown that the proposed method provides better identification confidence than other available methods. However, it demands higher technological requirements in terms of image resolution and PolInSAR features. The new generation of SAR sensors may fulfill them.