La terapia de hadrones es actualmente una realidad médica en oncología de radiación y una técnica probada en la lucha contra el cáncer. Hoy en día, el uso de la terapia de hadrones está ampliamente extendido en el tratamiento de pacientes con tumores profundos, no operables o resistentes a la radioterapia, debido a la ventaja de administrar una alta dosis de radiación con respecto al volumen del tumor. De esta forma se obtiene un mejor del control y protección del tejido circundante comparado con la radioterapia tradicional basada en haz de fotones. A pesar de que solo 35 centros médicos están actualmente tratando a pacientes de cáncer, la terapia de hadrones sigue considerada como una técnica medica emergente. Uno de sus retos permanentes consiste en la verificación de la dosis administrada al paciente ya que las propiedades físicas de los hadrones hacen que la terapia sea efectiva solo si se administra con precisión estrictamente al volumen del tumor. El control de calidad se consigue mediante la utilización de novedosas técnicas de diagnóstico por medio de detectores de radicación similares a los desarrollados para experimentos de física de partículas que ya se vienen utilizando en la producción de imágenes médicas. Las radiografías de protones se usan no solo para verificar el estado del paciente previo a los tratamientos de radioterapia, utilizando haces de protones de alta energía y baja intensidad, así como para obtener información necesaria para calcular de forma precisa el nivel de radiación de hadrones en los tejidos del paciente. Los cálculos de nivel de radiación se hacen hoy en día por medio de datos CT de rayos X, que se caracterizan por tener poco precisión. Durante la irradiación con haz terapéutico, la activación de los tejidos del paciente causados por interacciones nucleares con el haz de hadrones se puede visualizar por medio de detectores PET, haciendo posible representar en el momento la dosis administrada solo unos minutos después. En este contexto, esta Tesis presenta un estudio amplio sobre detectores de radiación novedosos que han sido desarrollados para asegurar la calidad en terapia de hadrones clínica. Tres diferentes soluciones se describen a continuación, un aparato de radiografía de protones y dos detectores cuya tecnología se utiliza para saber en el momento la dosis administrada durante el plan de tratamiento. En el caso de la radiografía en el rango de protones (PRR), se ha desarrollado un nuevo instrumento llamado PRR10, que tiene un área activa de 10 x 10 cm2 cubriendo un rango residual de 10 cm de longitud de tramo en equivalente de agua (WEPL). El PRR10 ha sido testeado ampliamente con haz de protones en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villagen, Suiza y en el Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) en Pavia, Italia. Se han tomado medidas con una resolución de rango residual de 1.6 mm WEPL así como una resolución espacial inferior a 1 mm. El PRR10 esta instalado actualmente en el CNAO a la espera de nuevos test mientras un nuevo instrumento, el PRR30 que tiene un área activa de 30 x 30 cm2 está llegando a su última etapa de desarrollo. El PRR30 permitirá imágenes PRR a tamaño completo y está previsto que se empiece a testar con haz de protones en el PSI y el CNAO hacia finales de 2013. Para realizar dosimetría en vivo, se ha procedido al estudio de dos tecnologías PET diferentes. La primera está basada en escintiladores orgánicos (cristales) acoplados a un foto-detector, con muchas similitudes con respecto a aparatos PET convencionales de medicina nuclear. El diseño del detector PET de cristales sigue las tendencias actuales en investigación PET para obtener la medida de la profundidad de interacción (depth-of-interaction, DOI) así como el tiempo de vuelo (time-of-flight TOF) entre protones concurrentes. Ambas técnicas suponen una mayor sensibilidad efectiva y una mejora en la eliminación de ruido y por tanto en la calidad de las imágenes PET. Dos prototipos han sido construidos y testados, usando cristales LYSO de 12 x 60 x 30 cm3 y foto detectores de multi-ánodo y placa multi-canal (MPC). De esta forma se ha demostrado la excelente localización de la interacción de fotones, 1.2 mm en dirección transversal y 15 mm en DOI, con una resolución de energía de 13% FWHM. La resolución de concurrencia de TOF medida es de 810 ps. La segunda tecnología PET estudiada hace uso de las cámaras de placa resistiva multi-hueco (multi-gap Resistive Plate Chambers, MRPCs) que se utilizan raramente en PET debido a su baja eficacia de detección a gammas de 511 KeV. Los módulos compactos MRPC han sido construidos y testados, y tienen una área activa de 7 x 10 cm2 y 12 x 390 cm2. El diseño y el procedimiento de ensamblaje es apto para producción a gran escala, un requerimiento necesario para contrarrestar su baja eficacia. Módulos MRCP de 4 huecos de 7 x 10 cm2 han sido sometidos a test y muestran un eficacia de 0.66 a 0.01 % a gammas de 511 KeV. Además, se han obtenido tiempos entre lecturas de fin de franja en ambos lados del módulo de 38 ps., suficiente para permitir una localización de interacción de 3.5 mm. La resolución del detector simple TOF entre dos RPCs de hueco único y dos MRPCs de 4 huecos es de 310 ps y 370 ps respectivamente, con una poco esperada resolución de coincidencia de 150 ps. Para complementar los resultados experimentales obtenidos, se han efectuado simulaciones Monte-Carlo usando la herramienta GATE en escáneres PET como el LYSO-MCP y MRCP. También han sido incluidos en el estudio dos detectores comerciales como el Gemini de Philips y el HiRez de Siemens. El escáner de anillo completo LYSO-MCP ha demostrado tener un 57 % más de sensibilidad que el Gemini a 70 cm en línea de la fuente, como consecuencia del aumento de profundidad (30 mm) de los cristales LYSO utilizados en su diseño. Un escáner MRPC-PET, después de la optimización de sus parámetros de sensibilidad muestra un factor 2.5 en sensibilidad con respecto al Gemini. Aunque los recursos en términos de desarrollo para construir un escáner MRPC-PET son considerables, la ganancia en sensibilidad con respecto a los escáneres comerciales de hoy en día, unido a las excelentes resoluciones TOF, hacen de esta tecnología una interesante alternativa a los cristales, tanto para control de calidad de terapia de hadrones como para imágenes PET de cuerpo entero. / Hadrontherapy is currently a clinical reality in radiation oncology and a proven technique in the fight against cancer. In the world today, hadrontherapy is being more and more widely employed for treating patients with non-operable deep-seated or radio-resistant tumours because of its advantage in delivering a highly conformal dose to the tumour volume. This offers an increased likelihood of tumor control and a better sparing of healthy surrounding tissue as compared with traditional radiotherapy which use photon beams. Despite the fact that 35 centers are currently treating patients, hadrontherapy is still considered to be an emerging clinical technique. One of the persisting challenges to hadrontherapy is the verification of the dose delivered to the patient since the physical properties of hadrons are only beneficial for therapy if they can be delivered precisely to the tumour volume. Quality assurance can be achieved using novel diagnostic techniques which make use of radiation detectors similar to those developed for high-energy physics experiments and already used in medical imaging. Proton radiography can be used to verify the patient setup prior to irradiation, using a diagnostic proton beam of higher energy and lower intensity, but can also provide directly the information needed for accurately computing the range of hadrons in the patient tissues. Range calculations currently rely on X-ray CT data, and are characterized by a small but non-negligible uncertainty. During irradiation with the therapeutic beam, the activation of the patient tissues caused by nuclear interactions with the hadron beam can be visualized by PET detectors, making it possible to perform in-vivo dosimetry during irradiation and in the minutes immediately following. In this context, this thesis presents an expansive study of novel radiation detectors which have been developed for quality assurance in clinical hadrontherapy. Three distinct detector solutions are described, a proton radiography instrument and two detectors technologies which could be used for performing in-vivo dosimetry of the delivered treatment plan. In the case of proton range radiography (PRR), a novel instrument called the PRR10 has been built having 10x10 cm2 active area and covering a residual range of 10 cm water-equivalent path length (WEPL). The PRR10 has been extensively tested with proton beams at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Villagen, Switzerland and at the Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia, Italy. A residual range resolution of 1.6 mm WEPL has been measured as well as a spatial resolution better than 1 mm. The PRR10 currently sits at the CNAO center awaiting further testing while a new instrument, the PRR30, which has an active area of 30x30 cm2, is reaching a final stage of completion. The PRR30 will allow full-size PRR images to be made and is scheduled for testing with proton beams at PSI and the CNAO by the end of 2013. To perform in-vivo dosimetry, two different PET technologies have been studied. The first is based on inorganic scintillators (crystals) coupled to a photodetector, having many similarities to conventional PET hardware for nuclear medicine. The design for a unit PET detector based on crystal follows the trends in current PET research allowing for the depth-of-interaction (DOI) to be measured as well as the time-of-flight (TOF) between the coincidence photons. Both techniques result in a higher effective sensitivity and a better rejection of noise, and therefore higher quality PET images. Two prototypes have been assembled and tested, built using 12x60x30 cm3 LYSO crystals and a multi-anode Multi-Channel Plate (MCP) photodetector. An excellent localization of the photon interaction, 1.2 mm in the transverse direction and 15 mm in DOI, have been demonstrated with an energy resolution of 13% FWHM. The coincidence TOF resolution has been measured as 810 ps. The second PET technology we have studied makes use of multi-gap Resistive Plate Chambers (MRPCs), which are highly unusual in PET because of their low detection efficiency to 511 keV gammas. Compact MRPC modules have been built and tested, having 7x10 cm2 and 12x30 cm2 active area. The design and assembly procedure has been shown to be suitable for mass-production, a requirement for overcoming the intrinsic low efficiency. A 4-gap 7x10 cm2 MRPC module has been tested and shown to have an efficiency of (0.66 0.01)% to 511 keV gammas. In addition, the timing between ends of the strip readout at either side of the module has been measured as 3.8 ps, enough to allow an interaction localization of 3.5 mm. The single-detector TOF resolution between two single-gap RPCs and two 4-gap MRPCs has been measured as 310 ps and 370 ps, respectively with a coincidence resolution of 150 ps expected shortly. To compliment the experimental results, Monte-Carlo simulations of both LYSO-MCP and MRPC-based PET scanners have been carried out using the GATE toolkit. Two commercial detectors, the Philips Gemini and Siemens HiRez, have also been included in the study as a benchmark for the results. The full-ring LYSO-MCP scanner has been shown to have a 57% higher sensitivity than the Gemini to a 70 cm long line source, a consequence of the increased depth (30 mm) of the LYSO crystals used in our design. An MRPC-PET scanner, after performing a sensitivity optimization of various parameters, has been shown to be a factor of 2.5 higher than the Gemini. Although considerable development will be required to build such a MRPC-PET scanner, the gains in sensitivity over existing commercial scanners, coupled with their excellent TOF resolutions, make this technology an exciting alternative to crystals, whether for hadrontherapy quality assurance, or whole-body PET imaging.

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In lightning protection techniques a basic aspect is the identification of the impact point possible, which is determined by the evolution of the initial phase of the lightning, known as the stepped leader, the ground geometry and structures on it. In general, the available theoretical models are consistent with ideal situations and do not include situations such as non-vertical trajectories, non-flat terrain or complex structures. This work reviews and compares the most outstanding models in the literature on this subject and proposes a model for the study of the stepped leader based on the Finite Element Method (FEM). With the intention of bringing the process to the real situation of progress of a downward negative leader, who can follow a trajectory 3D, several modeling aspects are contemplated, as: adjusting the charge density in the channel, the length and direction of jump, which can be modified depending on the height that is the leader, and the propagation delays caused by the distance from the observation point. On the other hand, the model allows the implementation of 3D geometries and the incorporation of complex structures and non-flat terrain, providing results in situations when it is not possible to have theoretical approaches. Simulations have been performed with different proposals for charge distribution in the channel, in situations of leader vertical, inclined and 3D trajectory. The model has been evaluated, comparing their results with theoretical ideal cases and reproducing some real situations from field measurements. The application of the model in simulating real cases for downward negative leader provides parameter values that are not available through the recorded measurements and are useful for studying this type of discharge. In this work we have focused on some of them, and we have obtained interesting results as: estimating the speed of the leader according of height (from the measures of ¿E (t)), the definition of new relationships between charge density in the channel, ¿Emax (leader close to ground), the return peak current and the observation point distance, as well as we can verify the conditions of inception for a discharge into a storm cloud. Finally, we use the model to evaluate the striking distance, a basic concept on protection techniques. It is inferred a new equation for its calculus and the results are compared with proposals available in the literature, showing good agreement with the recommendation of IEC 62305-1. The results encourage to continue the study and they open the possibility to extend the method to other stages, not only on the downward leader, but also on other phenomena related to the formation and evolution of storm situations. / En las técnicas de protección contra el rayo un aspecto básico es la identificación del posible punto de impacto, que viene determinado por la evolución de la fase inicial de la descarga atmosférica, conocida como líder escalonado (stepped leader), y por la geometría del terreno y estructuras sobre él. En general, los modelos teóricos disponibles se ajustan a situaciones ideales y no contemplan situaciones como trayectorias no verticales, terreno no plano o estructuras complejas. En este trabajo se revisan y comparan los modelos más destacados en la bibliografía sobre el tema y se propone un modelo para el estudio del stepped leader basado en el Método de los Elementos Finitos (FEM). Con la intención de aproximar el proceso a la situación real de avance de un líder negativo descendente, que puede seguir una trayectoria 3D, en el modelado se contemplan aspectos como: el ajuste de la densidad de carga en el canal, la longitud y dirección del salto, que pueden ser modificadas en función de la altura a la que se encuentre el líder, y los retardos de propagación provocados por la distancia del punto de observación. Por otra parte, el modelo permite la implementación de geometrías en 3D y la incorporación de estructuras complejas y terreno no plano, facilitando obtener resultados en situaciones en las que no es posible disponer de aproximaciones teóricas. Se han realizado simulaciones con diferentes propuestas de distribución de carga en el canal y para situaciones de líder vertical, inclinado y con trayectoria 3D. El modelo ha sido evaluado, contrastando sus resultados con casos teóricos ideales y reproduciendo situaciones reales a partir de diversas medidas de campo. La aplicación del modelo en la simulación de casos reales para líder negativo descendente nos proporciona valores de parámetros que no están disponibles a través de las medidas registradas y que son de utilidad para el estudio de las descargas negativas descendentes. En este trabajo nos hemos centrado en algunos de ellos y se han obtenido resultados de interés como: una estimación de la velocidad de avance del líder en función de la altura (a partir de medidas disponibles de ΔE(t)), la definición de nuevas relaciones entre densidad de carga en el canal, ΔEmax (líder próximo a tierra), la corriente de pico de retorno y la distancia del punto de observación, además de verificar las condiciones de inicio de descargas en una nube de tormenta. Por último, se utiliza el modelo para la evaluación de la distancia de cebado (striking distance), concepto básico en técnicas de protección. Se infiere una nueva ecuación para su cálculo y se comparan los resultados con las propuestas disponibles en la literatura, mostrando una buena concordancia con la recomendación de la norma IEC 62305-1. Los resultados obtenidos animan a continuar con el estudio y abren la posibilidad de ampliar la aplicación del método a otras etapas, no sólo en la descarga descendente, sino también de otros fenómenos relacionados con la formación y evolución de las situaciones de tormenta. / En les tècniques de protecció contra el llamp, un aspecte bàsic és la identificació del possible punt d’impacte, que ve determinat per l’evolució de la fase inicial de la descàrrega atmosfèrica, coneguda com a líder esglaonat (stepped leader), i per la geometria del terreny i les estructures que hi ha a sobre d’ell. En general, els models teòrics dsiponibles s’ajusten a situacions ideals i no contemplen situacions com trajectòries no verticals, terreny no pla o estructures complexes. En aquest treball es revisen i comparen els models més destacats en la bibliografia sobre el tema i es proposa un model per a l’estudi del stepped leader basat en el Mètode dels Elements Finits (FEM). Amb la intenció d’apropar el procés a la situació real d’avançament d’un líder negatiu descendent, el qual pot seguir una trajetòria 3D, en el modelat es contemplemn aspectes com: l’ajustament de la densitat de càrrega al canal, la longitud i la direcció del salt, que poden ser modificades en funció a l’altura on es trobi el líder i als retards de propagació provocats per la distància del punt d’observació. D’una altra banda, el model permet la implementació de geometries en 3D i la incorporació d’estructures complexes i terreny no pla, facilitant així l’obtenció de resultats en situacions on no es possible disposar d’aproximacions teòriques. S’han realitzat simulacions amb diferents propostes de distribució de càrrega al canal i per a situacions de líder vertical, inclinat i amb trajectòria 3D. El model ha estat avaluat, contrastant els seus resultats amb casos teòrics ideals i reproduint situacions reals a partir de diferents mesures de camp. L’aplicació del model en la simulació de casos reals per a líder negatiu descendent ens proporciona valors de paràmetres que no estan disponibles a travès de les mesures registrades i que són d’utilitat per a l’estudi de les descàrregues negatives descendents. En aquest treball ens n’hem centrat en alguns i s’han obtingut resultats d’interès com: una estimació de la velocitat d’avançament del líder en funció d’altura (només a partir de mesures disponibles de ΔE(t)), la definició de les noves relacions entre densitat de càrrega al canal, ΔEmax (líder proper a terra), el corrent del pic de retorn i la distància del punt d’observació, a més de verificar les condicions d’inici de descàrregues en un núvol de tempesta. Per últim, s’utilitza el model per a l’avaluació de la distància de d'encebament (striking distance), concepte bàsic en tècniques de protecció. S’infereix una nova equació per al seu càlcul i es comparen els resultats amb les propostes disponibles en la literatura, mostrant una bona concordància amb la recomanació de la norma IEC 62305-1. Els resultats obtinguts animen a continuar amb l’estudi i obren la posibilitat d’ampliar l’aplicació del mètode a d’altres etapes, no només en la descàrrega descendent, sinó també d’altres fenòmens relacionats amb la formació i evolució de les situacions de tempesta.

This thesis is a result of contributions to optimize or improve resource allocation in Passive Optical Networks (PON). The contributions are related with resource allocation during PON operation and with the upgrade process to allocate more capacity to the network in an "as-needed" fashion. We first address algorithms for Dynamic Bandwidth Allocation (DBA) in the upstream channel of Ethernet-based PONs through providing a state-of-the-art survey and proposing two algorithms. The proposed DBA results demonstrate improved performance and fairness among users. Then we introduce the problem of allocating new capacity to an existing PON through addition of wavelength (channels) and line-rate upgrades. In this regard, we first analyze possible strategies for PON evolution, and then we provide a new cost-based method to optimize the upgrade process in a per-period basis. The results on PON evolution analysis and our capacity-upgrade method contribute to cost reductions while optimizing new channel allocation, maximizing network capacity usage, and assuring minimum disturbances.Esta tesis es el resultado de contribuciones para optimizar o mejorar la distribución de recursos en Redes Ópticas Pasivas (PONs). Las contribuciones están relacionadas con el uso de los recursos durante la operación de las PONs y con el proceso de incremento en la capacidad en la red de forma gradual. Primero enfocamos el estudio en algoritmos de Distribución Dinámica de Ancho de Banda (DBA, por las siglas en inglés) sobre el canal ascendente de las redes PON basadas en Ethernet, para lo cual proveemos un resumen del estado del arte y proponemos dos nuevos algoritmos. Los resultados de evaluar los DBA propuestos demuestran mejoras en el rendimiento y mayor justicia entre los usuarios. Posteriormente se introduce el problema de asignar más capacidad a una PON existente mediante la implementación de nuevas longitudes de onda (canales) y aumento de la tasa de línea. Finalmente se plantea un método que minimiza las inversiones en el proceso de migración de las redes PON. Los resultados en el análisis de la evolución de las PONs y nuestro método basado en costos para incrementar la capacidad, contribuyen a reducir la inversión a la vez que se optimiza la implementación y asignación de nuevos canales, maximizando el uso de la capacidad de la red, y asegurando mínimos cortes de servicios.

La mortalitat provocada pel càncer de melanoma ha augmentat en els últims anys a causa, principalment, dels nous hàbits d'exposició al sol. Atenent al criteri mèdic, el diagnòstic precoç s'ha convertit en el millor mètode de prevenció. No és però una tasca trivial ja que els experts del domini han de fer front a un problema caracteritzat per tenir un gran volum de dades, de format heterogeni i amb coneixement parcial. A partir d'aquestes necessitats es proposa la creació d'una eina de suport a la presa de decisions que sigui capaç d'ajudar els experts en melanoma en el seu diagnòstic. El sistema ha de fer front a diversos reptes plantejats, que inclouen la caracterització del domini, la identificació de patrons a les dades segons el criteri dels experts, la classificació de nous pacients i la capacitat d'explicar els pronòstics obtinguts. Aquestes fites s'han materialitzat en la plataforma DERMA, la qual està basada en la col•laboració de diversos subsistemes de raonament analògic multietiqueta. L'experimentació realitzada amb el sistema proposat utilitzant dades d'imatges confocals i dermatoscòpiques ha permès comprovar la fiabilitat del sistema. Els resultats obtinguts han estat validats pels experts en el diagnòstic del melanoma considerant-los positius. / La mortalidad a causa del cáncer de melanoma ha aumentado en los últimos años debido, principalmente, a los nuevos hábitos de exposición al sol. Atendiendo al criterio médico, el diagnóstico precoz se ha convertido en el mejor método de prevención, pero no se trata de una tarea trivial puesto que los expertos del dominio deben hacer frente a un problema caracterizado por tener un gran volumen de datos, de formato heterogéneo y con conocimiento parcial. A partir de estas necesidades se propone la creación de una herramienta de ayuda a la toma de decisiones que sea capaz de ayudar a los expertos en melanoma en su diagnóstico. El sistema tiene que hacer frente a diversos retos planteados, que incluyen la caracterización del dominio, la identificación de patrones en los datos según el criterio médico, la clasificación de nuevos pacientes y la capacidad de explicar los pronósticos obtenidos. Estas metas se han materializado en la plataforma DERMA la cual está basada en la colaboración de varios subsistemas de razonamiento analógico multietiqueta. La experimentación realizada con el sistema propuesto utilizando datos de imágenes confocales y dermatoscópicas ha permitido verificar la fiabilidad del sistema. Los resultados obtenidos han sido validados por los expertos en el diagnóstico del melanoma considerándolos positivos. / Mortality related to melanoma cancer has increased in recent years, mainly due to new habits of sun exposure. Considering the medical criteria, early diagnosis has become the best method of prevention but this is not trivial because experts are facing a problem characterized by a large volume of data, heterogeneous, and with partial knowledge. Based on these requirements we propose the creation of a decision support system that is able to assist experts in melanoma diagnosis. The system has to cope with various challenges, that include the characterization of the domain, the identification of data patterns attending to medical criteria, the classification of new patients, and the ability to explain predictions. These goals have been materialized in DERMA platform that is based on the collaboration of several analogical reasoning multi-label subsystems. The experiments conducted with the proposed system using confocal and dermoscopic images data have been allowed to ascertain the reliability of the system. The results have been validated by experts in diagnosis of melanoma considering it as positive.

Today, 3.5 and 4G systems including Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A) support packet-based services and provide mobile broadband access for bandwidth-hungry applications. In this context of fast evolution, new and challenging technical issues must be e ectively addressed. The nal target is to achieve a signi cant step forward toward the improvement of the Quality of Experience (QoE). To that end, interference management has been recognized by the industry as a key enabler for cellular technologies based on OFDMA. Indeed, with a low frequency reuse factor, intercell interference (ICI) becomes a major concern since the Quality of Service (QoS) is not uniformly delivered across the network, it remarkably depends on user position. Hence, cell edge performance is an important issue in LTE and LTE-A. Intercell Interference Coordination (ICIC) encompasses strategies whose goal is to keep ICI at cell edges as low as possible. This alleviates the aforementioned situation. For this reason, the novelties presented in this Ph.D. thesis include not only developments of static ICIC mechanisms for data and control channels, but also e orts towards further improvements of the energy e ciency perspective. Based on a comprehensive review of the state of the art, a set of research opportunities were identi ed. To be precise, the need for exible performance evaluation methods and optimization frameworks for static ICIC strategies. These mechanisms are grouped in two families: the schemes that de ne constraints on the frequency domain and the ones that propose adjustments on the power levels. Thus, Soft- and Fractional Frequency Reuse (SFR and FFR, respectively) are identi ed as the base of the vast majority of static ICIC proposals. Consequently, during the rst part of this Ph.D. thesis, interesting insights into the operation of SFR and FFR were identi ed beyond well-known facts. These studies allow for the development of a novel statistical framework to evaluate the performance of these schemes in realistic deployments. As a result of the analysis, the poor performance of classic con gurations of SFR and FFR in real-world contexts is shown, and hence, the need for optimization is established. In addition, the importance of the interworking between static ICIC schemes and other network functionalities such as CSI feedback has also been identi ed. Therefore, novel CSI feedback schemes, suitable to operate in conjunction with SFR and FFR, have been developed. These mechanisms exploit the resource allocation pattern of these static ICIC techniques in order to improve the accuracy of the CSI feedback process. The second part is focused on the optimization of SFR and FFR. The use of multiobjective techniques is investigated as a tool to achieve e ective network-speci c optimization. The approach o ers interesting advantages. On the one hand, it allows for simultaneous optimization of several con icting criteria. On the other hand, the multiobjective nature results in outputs composed of several high quality (Pareto e cient) network con gurations, all of them featuring a near-optimal tradeo between the performance criteria. Multiobjective evolutionary algorithms allow employing complex mathematical structures without the need for relaxation, thus capturing accurately the system behavior in terms of ICI. The multiobjective optimization formulation of the problem aims at achieving e ective adjustment of the operational parameters of SFR and FFR both at cell level and network-wide. Moreover, the research was successfully extended to the control channels, both the PDCCH and ePDCCH. Finally, in an e ort to further improve the network energy e ciency (an aspect always considered throughout the thesis), the framework of Cell Switch O (CSO), having close connections with ICIC, is also introduced. By means of the proposed method, signi cant improvements with respect to traditional approaches, baseline con gurations, and previous proposals can be achieved. The gains are obtained in terms of energy consumption, network capacity, and cell edge performance. / Actualmente los sistemas 3.5 y 4G tales como Long Term Evolution (LTE) y LTE-Advanced (LTE-A) soportan servicios basados en paquetes y proporcionan acceso de banda ancha m ovil para aplicaciones que requieren elevadas tasas de transmisi on. En este contexto de r apida evoluci on, aparecen nuevos retos t ecnicos que deben ser resueltos e cientemente. El objetivo ultimo es conseguir un salto cualitativo importante en la experiencia de usuario (QoE). Con tal n, un factor clave que ha sido reconocido en las redes celulares basadas en Orthogonal Frequency- Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti on de interferencias. De hecho, la utilizaci on de un factor de reuso bajo permite una elevada e ciencia espectral pero a costa de una distribuci on de la calidad de servicio (QoS) que no es uniforme en la red, depende de la posici on del usuario. Por lo tanto, el rendimiento en los l mites de la celda se ve muy penalizado y es un problema importante a resolver en LTE y LTE-A. La coordinaci on de interferencias entre celdas (ICIC, del ingl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba las estrategias cuyo objetivo es mantener la interferencia intercelular (ICI) lo m as baja posible en los bordes de celda. Esto permite aliviar la situaci on antes mencionada. La contribuci on presentada en esta tesis doctoral incluye el dise~no de nuevos mecanismos de ICIC est atica para los canales de datos y control, as como tambi en mejoras desde el punto de vista de e ciencia energ etica. A partir de una revisi on completa del estado del arte, se identi caron una serie de retos abiertos que requer an esfuerzos de investigaci on. En concreto, la necesidad de m etodos de evaluaci on exibles y marcos de optimizaci on de las estrategias de ICIC est aticas. Estos mecanismos se agrupan en dos familias: los esquemas que de nen restricciones sobre el dominio de la frecuencia y los que proponen ajustes en los niveles de potencia. Es decir, la base de la gran mayor a de propuestas ICIC est aticas son la reutilizaci on de frecuencias de tipo soft y fraccional (SFR y FFR, respectivamente). De este modo, durante la primera parte de esta tesis doctoral, se han estudiado los aspectos m as importantes del funcionamiento de SFR y FFR, haciendo especial enfasis en las conclusiones que van m as all a de las bien conocidas. Ello ha permitido introducir un nuevo marco estad stico para evaluar el funcionamiento de estos sistemas en condiciones de despliegue reales. Como resultado de estos an alisis, se muestra el pobre desempe~no de SFR y FFR en despliegues reales cuando funcionan con sus con guraciones cl asicas y se establece la necesidad de optimizaci on. Tambi en se pone de mani esto la importancia del funcionamiento conjunto entre esquemas ICIC est aticos y otras funcionalidades de la red radio, tales como la informaci on que env an los usuarios sobre el estado de su canal downlink (feedback del CSI, del ingl es Channel State Information). De este modo, se han propuesto diferentes esquemas de feedback apropiados para trabajar conjuntamente con SFR y FFR. Estos mecanismos explotan el patr on de asignaci on de recursos que se utiliza en ICIC est atico para mejorar la precisi on del proceso. La segunda parte se centra en la optimizaci on de SFR y FFR. Se ha investigado el uso de t ecnicas multiobjetivo como herramienta para lograr una optimizaci on e caz, que es espec ca para cada red. El enfoque ofrece ventajas interesantes, por un lado, se permite la optimizaci on simult anea de varios criterios contradictorios. Por otro lado, la naturaleza multiobjetivo implica obtener como resultado con guraciones de red de elevada calidad (Pareto e cientes), todas ellas con un equilibrio casi- optimo entre las diferentes m etricas de rendimiento. Los algoritmos evolucionarios multiobjetivo permiten la utilizaci on de estructuras matem aticas complejas sin necesidad de relajar el problema, de este modo capturan adecuadamente su comportamiento en t erminos de ICI. La formulaci on multiobjetivo consigue un ajuste efectivo de los par ametros operacionales de SFR y FFR, tanto a nivel de celda como a nivel de red. Adem as, la investigaci on se extiende con resultados satisfactorios a los canales de control, PDCCH y ePDCCH. Finalmente, en un esfuerzo por mejorar la e ciencia energ etica de la red (un aspecto siempre considerado a lo largo de la tesis), se introduce en el an alisis global el apagado inteligente de celdas, estrategia con estrechos v nculos con ICIC. A trav es del m etodo propuesto, se obtienen mejoras signi cativas con respecto a los enfoques tradicionales y propuestas previas. Las ganancias se obtienen en t erminos de consumo energ etico, capacidad de la red, y rendimiento en el l mite de las celdas. / Actualment els sistemes 3.5 i 4G tals com Long Term Evolution (LTE) i LTE- Advanced (LTE-A) suporten serveis basats en paquets i proporcionen acc es de banda ampla m obil per a aplicacions que requereixen elevades taxes de transmissi o. En aquest context de r apida evoluci o, apareixen nous reptes t ecnics que han de ser resolts e cientment. L'objectiu ultim es aconseguir un salt qualitatiu important en l'experi encia d'usuari (QoE). Amb tal , un factor clau que ha estat reconegut a les xarxes cel lulars basades en Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) es la gesti o d'interfer encies. De fet, la utilizaci o d'un factor de re us baix permet una elevada e ci encia espectral per o a costa d'una distribuci o de la qualitat de servei (QoS) que no es uniforme a la xarxa, dep en de la posici o de l'usuari. Per tant, el rendiment en els l mits de la cel la es veu molt penalitzat i es un problema important a resoldre en LTE i LTE-A. La coordinaci o d'interfer encies entre cel les (ICIC, de l'angl es Intercell Interfe- rence Coordination) engloba les estrat egies que tenen com a objectiu mantenir la interfer encia intercel lular (ICI) el m es baixa possible en les vores de la cel la. Aix o permet alleujar la situaci o abans esmentada. La contribuci o presentada en aquesta tesi doctoral inclou el disseny de nous mecanismes de ICIC est atica per als canals de dades i control, aix com tamb e millores des del punt de vista d'e ci encia energ etica. A partir d'una revisi o completa de l'estat de l'art, es van identi car una s erie de reptes oberts que requerien esfor cos de recerca. En concret, la necessitat de m etodes d'avaluaci o exibles i marcs d'optimitzaci o de les estrat egies de ICIC est atiques. Aquests mecanismes s'agrupen en dues fam lies: els esquemes que de neixen restriccions sobre el domini de la freq u encia i els que proposen ajustos en els nivells de pot encia. Es a dir, la base de la gran majoria de propostes ICIC est atiques s on la reutilitzaci o de freq u encies de tipus soft i fraccional (SFR i FFR, respectivament). D'aquesta manera, durant la primera part d'aquesta tesi doctoral, s'han estudiat els aspectes m es importants del funcionament de SFR i FFR, fent especial emfasi en les conclusions que van m es enll a de les ben conegudes. Aix o ha perm es introduir un nou marc estad stic per avaluar el funcionament d'aquests sistemes en condicions de desplegament reals. Com a resultat d'aquestes an alisis, es mostra el pobre acompliment de SFR i FFR en desplegaments reals quan funcionen amb les seves con guracions cl assiques i s'estableix la necessitat d'optimitzaci o. Tamb e es posa de manifest la import ancia del funcionament conjunt entre esquemes ICIC est atics i altres funcionalitats de la xarxa radio, tals com la informaci o que envien els usuaris sobre l'estat del seu canal downlink (feedback del CSI, de l'angl es Channel State Information). D'aquesta manera, s'han proposat diferents esquemes de feedback apropiats per treballar conjuntament amb SFR i FFR. Aquests mecanismes exploten el patr o d'assignaci o de recursos que s'utilitza en ICIC est atic per millorar la precisi o del proc es. La segona part se centra en l'optimitzaci o de SFR i FFR. S'ha investigat l' us de t ecniques multiobjectiu com a eina per aconseguir una optimitzaci o e ca c, que es espec ca per a cada xarxa. L'enfocament ofereix avantatges interessants, d'una banda, es permet l'optimitzaci o simult ania de diversos criteris contradictoris. D'altra banda, la naturalesa multiobjectiu implica obtenir com resultat con guracions de xarxa d'elevada qualitat (Pareto e cients), totes elles amb un equilibri gaireb e optim entre les diferents m etriques de rendiment. Els algorismes evolucionaris multiobjectiu permeten la utilitzaci o d'estructures matem atiques complexes sense necessitat de relaxar el problema, d'aquesta manera capturen adequadament el seu comportament en termes de ICI. La formulaci o multiobjectiu aconsegueix un ajust efectiu dels par ametres operacionals de SFR i FFR, tant a nivell de cel la com a nivell de xarxa. A m es, la recerca s'est en amb resultats satisfactoris als canals de control, PDCCH i ePDCCH. Finalment, en un esfor c per millorar l'e ci encia energ etica de la xarxa (un aspecte sempre considerat al llarg de la tesi), s'introdueix en l'an alisi global l'apagat intel ligent de cel les, estrat egia amb estrets vincles amb ICIC. Mitjan cant el m etode proposat, s'obtenen millores signi catives pel que fa als enfocaments tradicionals i propostes pr evies. Els guanys s'obtenen en termes de consum energ etic, capacitat de la xarxa, i rendiment en el l mit de les cel les.

Serious games are video games designed to provide specific expertise, knowledge and skills to the player, going beyond pure entertainment. In this thesis we present a classification of serious games for health and medicine that have been proposed in the last decade. We propose LISSA a serious game designed to teach the cardiopulmonar resuscitation protocol (RCP). In the context of LISSA, we study the visual realism of 3D serious games and their elements, evaluating photorealistic and non-photorealistic effects and camera position in first and third person. In addition, we study the physical realism to improve the interaction between game and player. We propose a new technique based on Kinect able to reproduce the key factors of the CPR protocol. Finally, we evaluate LISSA in a real scenario / Els anomenats jocs seriosos (de l’anglès serious games), són videojocs dissenyats per donar una experiència específica, coneixements i habilitats al jugador, és a dir van més enllà de l’entreteniment pur. En aquesta tesi presentarem una classificació dels jocs seriosos de l’àmbit mèdic i de la salut que s’han proposat en aquesta darrera dècada. Proposarem LISSA, un joc seriós dissenyat per ensenyar el protocol de reanimació cardiopulmonar (RCP). En el context del LISSA, estudiarem el realisme visual dels jocs seriosos 3D i els seus elements, avaluarem els efectes fotorealistes i no-fotorealistes i la posició de la càmera en primera i tercera persona. A més, estudiarem el realisme físic per tal de millorar la interacció entre el joc i el jugador. Proposarem una nova tècnica basada en Kinect capaç de reproduir factors clau del protocol RCP. Finalment, avaluarem LISSA en un escenari real

La tesi estudia la influència que va tenir l’exposició Interbau de Berlín l’any 1957 en el restabliment de l’arquitectura moderna a Barcelona durant els anys cinquanta. La reconstrucció del barri de Hansa de la ciutat alemanya es va plantejar com a model de la ciutat del futur. Els arquitectes més importants del Moviment Modern com Alvar Aalto, Walter Gropius, Oscar Niemeyer, Le Corbusier, Arne Jacobsen, Sepp Ruf, Egon Eiermann o Günter Gottwald van projectar-hi noves reflexions en el camp residencial que abordaven temes com la flexibilitat, la salubritat, l’estandardització-prefabricació, la relació amb la natura o les relacions veïnals. Aquests nous plantejaments va esdevenir model per arquitectes a Barcelona com l’equip López Íñigo Giráldez Subias, Barba Corsini o Francesc Mitjans, que en aquell moment introduïen l’arquitectura moderna a la ciutat. La tesi planteja l’estudi de l’operació Interbau i les seves conseqüències com una base testada al llarg de cinquanta anys per esdevenir base per a la innovació residencial. El marc normatiu introduït durant el període posterior a Interbau ha restringit el camp per a la recerca i la innovació de l’arquitecte. La reflexió sobre aquest estadi anterior, planteja una porta oberta al replanteig d’algunes d’aquestes normatives que possibiliti avançar en el camp de l’habitatge. / La tesis estudia la influencia que tuvo la exposición de Berlín del año 1957 en el restablecimiento de la arquitectura moderna en Barcelona de los años cincuenta. La reconstrucción del barrio de Hansa de la ciudad alemana se planteó como el modelo de la ciudad del futuro. Los arquitectos más importantes del Movimiento Moderno como Alvar Aalto, Walter Gropius, Oscar Niemeyer, Le Corbusier, Arne Jacobsen, Sepp Ruf, Egon Eiermann o Günter Gottwald proyectaron nuevas reflexiones en el campo residencial que abordaban temas como la flexibilidad, la salubridad, la estandarización-prefabricación, la relación con la naturaleza o la relaciones entre vecinos. Estos Nuevos planteamientos acontecieron modelo para arquitectos en Barcelona como el equipo López Íñigo Giráldez Subias, Barba Corsini o Francesc Mitjans, que en aquel momento introducían la arquitectura moderna en la ciudad. La tesis plantea el estudio de la operación Interbau y sus consecuencias como base testada a lo largo de cincuenta años para utilizarse como base para la innovación residencial. El marco normativo introducido durante el período posterior a Interbau ha restringido el campo para la investigación y la innovación del arquitecto. La reflexión sobre este estadio anterior, plantea una puerta abierta al replanteo de algunas de estas normativas que faciliten avanzar en el campo de la vivienda. / This thesis studies the influence of the Berlin exhibition in restoring modern architecture in Barcelona fifties. The reconsturction of the Hansa district of the German City was planned as the modelo c The City of Tomorrow. The most important architects of the Modern Movement as Alvar Aalto, Walter Gropius, Oscar Niemeyer, Le Corbusier, Arne Jacobsen, Sepp Ruf, Egon Eiermann or Günther Gottwald projected new ideas in the residential field dealing with issues of flexibility, safety, standaritzation – prefabrication, the relationship with nature or neighborly relations. These new approaches bacame model for architects in Barcelona as the team López Íñigo Giráldez Subias, Barba Corsini and Francesc Mitjans, which at that time introduced modern architecture in the City. The thesis presents the study of the operation and its consequences tested over fifty years to be used as a basis for residential innovation. The regulatory framework introduced during the period after Interbau has restricted área for research and innovation architect. Reflection on this earlier stage, raises an open door to rethinking some of these rules to facilitate progress in the field of housing.

In the future communication systems, it is of key importance that the transceivers are capable of operating in multiple frequency bands and with complex signals. In this context, the power amplifier is a critical component of the transceiver, since it is responsible for most of the total power consumption in base stations and portable devices. Apart from the power consumption, the design of power amplifier systems must account for multi-band/broadband capabilities, high peak-toaverage power ratio signals and the mismatch effect caused by the various operating conditions. Hence, the design of power amplifier topologies that enhance the total system efficiency and reliability is a challenging task. This PhD dissertation introduces novel power amplifier architectures and solutions for modern communication systems. The contributions of this thesis can be divided in two parts. The first part deals with the study and design of power amplifier systems. It is of major importance that these designs provide linear amplification and operation at multiple frequency bands, which will permit the reduction of the cost and size of the devices. Additionally, we investigate the possibility to harvest the dissipated power from the power amplification process. For the development of the prototypes, lumped-element topologies, transmission line implementation and Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology are adopted. In the second part of the thesis, novel matching networks are introduced and their properties are studied. In particular, resistance compression topologies are proposed to overcome the performance degradation associated with the sensitivity of nonlinear devices to environmental changes. These networks can be adopted in modern power amplifier architectures, such as envelope tracking and outphasing energy recovery power amplifier topologies, in order to provide improved performance over a wide range of operating conditions. / Es primordial que los transceptores de los futuros sistemas de comunicación sean capaces de operar en múltiples bandas de frecuencia y con señales complejas. En este contexto, el amplificador de potencia es un componente crítico del transceptor dado que su consumo energético supone la mayor parte del consumo tanto de las estaciones base como de los dispositivos móviles. Aparte del consumo energético, los nuevos diseños de sistemas de amplificación de potencia deben considerar aspectos como la capacidad de operar en múltiples bandas o en banda ancha, el uso de señales con alta relación de potencia pico a potencia media (PAPR) y el efecto de desadaptación que aparece bajo las diferentes condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, el diseño de nuevas topologías para amplificadores de potencia que mejoren la eficiencia total del sistema y la fiabilidad es una tarea compleja. Esta tesis doctoral presenta nuevas arquitecturas de amplificadores de potencia y soluciones para los sistemas de comunicación modernos. Las contribuciones de esta tesis se pueden dividir en dos partes. La primera parte se centra en el estudio y diseño de sistemas de amplificación de potencia con el fin de proporcionar amplificación lineal y funcionamiento en múltiples bandas de frecuencia, lo que permitirá reducir el coste y tamaño de los dispositivos. Además, se investiga la posibilidad de reutilizar la energía disipada en el proceso de amplificación de potencia. Para el desarrollo de los prototipos, se utilizan topologías hibridas, implementaciones con líneas de transmisión y tecnología de guía de onda integrada en sustrato (SIW). En la segunda parte de la tesis, se proponen redes de adaptación y se estudian sus propiedades. En particular, se proponen topologías de compresión de resistencia para minimizar el efecto que producen en el rendimiento la sensibilidad de los dispositivos no lineales a los cambios ambientales. Estas redes pueden ser utilizadas en arquitecturas modernas de amplificadores de potencia como pueden ser las topologías envelope tracking y outphasing energy recovery con el fin de proporcionar un rendimiento mejorado bajo múltiples condiciones de funcionamiento.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / This doctoral thesis is presented as a compendium of six (6) articles published in Science Citation Index journals. The work proposes harmonic models of some of the most common energy efficient lighting devices in electrical installations (i.e., high intensity discharge lamps (HIDLs) with magnetic ballast, compact fluorescent lamps (CFLs) with integrated ballast, and solid state lighting light emitting diodes (SSL-LEDs) luminaries). The aim of these models and the developed numerical tools is to characterize their harmonic emissions for use in harmonic power flow (HPF) studies in networks with high penetration of these loads. The work contributes mainly with the frequency domain equivalent circuit models and makes significant contributions in the model parameter estimation and suggestions on variations and simplifications of the models. / La presente Tesis Doctoral se defiende bajo la modalidad de un compendio de seis (6) artículos publicados en revistas indexadas en el Science Citation Index. En ella se desarrolla la modelización armónica de algunos de los dispositivos de iluminación de eficiencia energética más habituales en las instalaciones eléctricas (i.e. las lámparas de descarga de alta intensidad con balasto magnético HIDLs, las lámparas fluorescentes compactas con balasto integrado CFLs y las lámparas de estado sólido de diodos inorgánicos emisores de luz SSL-LEDs). El objetivo de estos modelos y de las herramientas numéricas desarrolladas, es caracterizar sus emisiones armónicas y poder utilizarlos en programas de flujos de potencia con armónicos (HPF) en redes eléctricas con gran penetración de este tipo de cargas. El trabajo desarrollado contribuye principalmente con modelos de dichas lámparas basados en su circuito equivalente en el dominio de la frecuencia y realiza aportaciones significativas en la estimación de sus parámetros, además de propuestas de variantes y simplificaciones de los modelos.