An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source. / En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.

This thesis deals with the further development of an existing underwater vehicle for autonomous navigation. The vehicle was conceived to navigate over the sea surface and, at certain fixed points, to dive vertically in order to obtain a profile of a water column. The main objectives of the thesis are the improvement of the hardware and software of the vehicle in order to make it fully operational, and the design and implementation of control techniques for autonomous navigation. The problem of autonomous navigation is addressed first with the calculation of an hydrodynamic model in 3DoF. An extensive study about the selection of the coefficients is performed, using a linearized model. The calculation of the coefficients is done using two approaches: a geometric one and another one based on least squares techniques applied to experimental data obtained during sea trials. The least squares method gives satisfactory results and the simulations fits the experimental data. The resulting hydrodynamic model is completed with the physical constraints of the actuators of the vehicle. Solving the autonomous navigation problem requires the design of controllers for both the inner loop (dynamic) and the outer loop (kinematic). Several solutions based on type-1 TSK fuzzy control are presented for velocity control, yaw control, pure pursuit navigation, and path following. The fuzzy controller is used to manage different linear controllers designed for specific conditions. The hydrodynamic model plays an important role in the design of the controller for the inner loop. In addition, a gain scheduled controller is designed to validate a particular case of the fuzzy controller in the inner loop. Regarding the finishing of the vehicle to be fully operational, the improvements begin with a new driver for the lateral thrusters because they lacked backwards movement capability. Additionally, upgrades in the handling of the vehicle had to devised. In this respect, a wireless on/off system is presented to power the vehicle, and a WiFi connection is adapted to manipulate the software of the vehicle remotely. Furthermore, a study of the currents and power of the immersion system in order to reduce the power consumption is performed, and the hardware is improved with the inclusion of some commercial devices, like an IMU, CTD, and acoustic localization system. The software is improved in several aspects. First, some problems derived from previous works are debugged. The system is then restructured with a multithread development, which provides robustness and modularity. As the system needed an extension of the protocol communication for easy handling, a robust protocol communication is implemented with the possibility to execute scripts. Finally, the existing graphical user interface is simplified in order to provide only the information required by the operator. In order to improve the buoyancy of the vehicle, several foams are designed, adjusted to the geometry of the vehicle, and a ballast system is also included for fine adjustment. Finally, several tests in the laboratory, a swimming pool, a channel, and at sea are performed in order to check the performance of the vehicle. Results show a correct behavior of hardware and software, and also validate the performance of the controllers designed for autonomous navigation. / Esta tesis aborda el desarrollo de un vehículo submarino existente para la navegación autónoma. El vehículo fue concebido para navegar sobre la superficie del mar siguiendo ciertos puntos preestablecidos, y hacer inmersiones verticales con el fin de obtener un perfil de una columna de agua. Los objetivos principales de la tesis son la mejora del hardware y el software del vehículo con el fin de que sea plenamente operativo, y el diseño e implementación de técnicas de control para la navegación autónoma. El problema de la navegación autónoma se aborda primero con el cálculo de un modelo hidrodinámico en 3 grados de libertad. Un extenso estudio sobre la selección de los coeficientes se realizó usando un modelo linealizado. El cálculo de los coeficientes se obtuvo utilizando dos enfoques: primero un enfoque geométrico, y luego un enfoque basado en técnicas de mínimos cuadrados aplicados a los datos experimentales obtenidos durante las pruebas de mar. El método de mínimos cuadrados da resultados satisfactorios y las simulaciones se ajustan a los datos experimentales. El modelo hidrodinámico resultante se completa con las limitaciones físicas de los actuadores del vehículo. Resolver el problema de navegación autónoma requiere el diseño de controladores tanto para el lazo interno (dinámico) como el lazo exterior (cinemático). En este sentido se presentan varias soluciones basadas en controladores difusos TSK tipo 1 para el control de velocidad, control de guiñada, navegación "pure pursuit", y "path following". El controlador difuso se utiliza para gestionar diferentes controladores lineales diseñados para condiciones específicas, y el modelo hidrodinámico juega un papel importante en el diseño del controlador del lazo interno. Además, se diseñó un controlador tipo "gain scheduling" para validar un caso particular del controlador difuso. En cuanto a poner el vehículo completamente operativo, las mejoras comienzan con un nuevo controlador para los propulsores laterales pues éstos carecían del movimiento en reversa. Adicionalmente se realizaron varias mejoras respecto a la fácil manipulación del vehículo. En este sentido se implementó un sistema inalámbrico para el encendido y apagado del vehículo, y se adaptó una conexión WiFi para poder manipular el software remotamente. Luego, se realizó estudio de las corrientes y voltajes implicados en el sistema de inmersión con el fin de reducir el consumo de energía, y finalmente el hardware se mejora con la inclusión de algunos dispositivos comerciales como un IMU, CTD, y sistema de localización acústica. El software se mejora en varios aspectos. En primer lugar, algunos de los problemas derivados de desarrollos anteriores se depuran. A continuación, el sistema se reestructura con un desarrollo multi-hilo que proporciona robustez y modularidad. Debido a que el sistema necesitaba la extensión del protocolo de comunicación para un fácil manejo, se implementó un protocolo de comunicación robusto con la posibilidad de ejecutar scripts. Por último, se simplifica la interfaz gráfica de usuario existente con el fin de proporcionar solamente la información necesaria para el operador. Con el fin de mejorar la flotabilidad del vehículo, se diseñan varias espumas ajustadas a la geometría del vehículo, y también se incluye un sistema de lastre para un ajuste fino. Por último, se hicieron varias pruebas en laboratorio, piscina, un canal, y en el mar con el fin de comprobar el rendimiento del vehículo. Los resultados muestran un comportamiento correcto de hardware y software, y también validan el funcionamiento de los controladores diseñados para la navegación autónoma.

An interesting approach in cooperative control is to design distributed control strategies which use only local information so that a multi-agent system achieves specified behaviors. A basic behavior in cooperative control is the consensus. Given a multi-agent system, like a multiple robot network, it is said that the agents reach a consensus if the state of each agent converges to a common state. Examples of cooperative tasks in which consensus algorithms are employed include formation control, flocking theory, rendezvous problems and synchronization. These cooperative tasks have several possible applications, like: transportation systems (intelligent highways, air-traffic control); military systems (formation flight, surveillance, reconnaissance, cooperative attack and rendezvous) and mobile sensor networks (space-based interferometers, environmental sampling). The solution to the consensus problems involves the design of control algorithms such that the agents can reach an agreement on their states. There are two main problems that are studied in consensus, the leader-follower consensus and the leaderless consensus. In the leader-follower consensus problem, there exists a leader that specifies the state for the whole group while in a leaderless consensus problem, there is not a priori reference state. The main goal of this thesis is the design of operational space controllers that solve the leader-follower and the leaderless consensus problems in networks composed of multiple heterogeneous robots. Furthermore, this document proposes novel operational space control schemes for bilateral teleoperation systems. In both scenarios, different conditions are studied, such as the absence of robot velocity measurements, constant and variable time-delays in the robot's interconnection, and uncertainty in the robot's physical parameters. Most of the previous consensus control algorithms, only work with the position or orientation but not with both. On the contrary, this dissertation deals with the entire pose of the robots that contains both the position and the orientation. Moreover, in order to render a singularity-free description of the orientation, the unit-quaternions are employed. The dissertation provides a rigorous stability analysis of the control algorithms and presents simulations and experiments that validate the effectiveness of the proposed controllers. / Un enfoque interesante en el control cooperativo es el diseño de estrategias de control distribuido que requieran sólo información local para que un sistema multi-agente logre comportamientos específicos. Un comportamiento básico del control cooperativo es el consenso. Dado un sistema multi-agente, como una red de múltiples robots, se dice que los agentes llegan a un consenso si el estado de cada agente converge a un estado común. Algunos ejemplos de tareas cooperativas en las que los algoritmos de consenso son utilizados son los siguientes: el control de la formación, flocking, rendezvous y sincronización. Estas tareas cooperativas tienen varias aplicaciones posibles, como: sistemas de transporte (carreteras inteligentes , control de tráfico aéreo); sistemas militares (vuelo en formación, vigilancia, reconocimiento, ataque cooperativo) y redes de sensores móviles (interferómetros en el espacio, el muestreo del ambiente). La solución a los problemas de consenso implica el diseño de algoritmos de control de tal manera que los agentes pueden llegar a un acuerdo sobre sus estados. Hay dos problemas principales que se estudian en el consenso, el consenso líder-seguidor y el consenso sin líder. En el problema de consenso líder-seguidor, existe un líder que especifica el estado de todo el grupo, mientras que en un problema de consenso sin líder, no hay ningún estado de referencia definido a priori. El objetivo principal de esta tesis es el diseño de controladores en el espacio operacional que resuelvan los problemas de consenso líder-seguidor y sin líder en redes compuestas de múltiples robots heterogéneos. Además, este documento propone novedosos esquemas de control en el espacio operacional para sistemas de teleoperación bilateral. En ambos escenarios, se estudian diferentes condiciones, tales como la ausencia de medidas de velocidad de los robots, retardos constantes y variables en la interconexión de los robots y la incertidumbre en los parámetros físicos de los robots. La mayoría de los anteriores algoritmos de control que resuelven el consenso, sólo trabajan con la posición o la orientación, pero no con ambos. Por el contrario, esta tesis doctoral se ocupa de toda la pose de los robots que contiene tanto la posición y la orientación. Por otra parte, a fin de usar una representación de la orientación libre de singularidades, se emplean los cuaterniones unitarios. Esta tesis doctoral proporciona un análisis riguroso de la estabilidad de los algoritmos de control y presenta simulaciones y experimentos que validan la eficacia de los controladores propuestos

Micro Aerial Vehicles (MAVs), a subset of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), also known as drones, are becoming popular for several applications and gaining interest due to advantages as manufacturing and maintenance cost, size and weight, energy consumption, and flight maneuverability. Required skills for drone teleoperators being lower than for aircraft pilots, however their training process can last several weeks or months depending on the target at hands. In particular, this process is harder when teleoperators cannot observe directly the vehicle, depending only on onboard sensors and cameras. The presence of oscillations in the captured video is a major problem with cameras on UAVs. It is even more complex for MAVs because the external disturbances increase the instability. There exists mechanical video stabilizers that reduce camera oscillations, however this mechanical device adds weight and increases the manufacturing cost, energy consumption, size, weight, and the system becomes less safe for people. In this thesis, we propose to develop video stabilization software algorithms, without additional mechanical elements in the system, to be applied in real-time during the UAV navigation. In the literature, there are a few video stabilization algorithms able to be applied in real-time, but most of them generate false motion (phantom movements) in the stabilized image. Our algorithm represents a good tradeoff between stable video recording and simultaneously keeping UAV real motion. Several experiments with MAVs have been performed and the employed measurements demonstrate the good performance of the introduced algorithm. / Los micro vehículos aéreos (MAVs), un subconjunto de vehículos aéreos no tripulados (UAVs), también llamados drones, han ganado popularidad en múltiples aplicaciones y un creciente interés debido a sus ventajas como costo de fabricación y mantenimiento, volumen, peso del vehículo, gasto energético, y maniobrabilidad de vuelo. La destreza requerida para un teleoperador de drones es inferior a la de un piloto de aeronaves de mayor dimensión, no obstante, su proceso de entrenamiento puede durar varias semanas o incluso meses dependiendo del objetivo que se persiga. Este proceso se dificulta cuando el teleoperador no puede observar de forma directa al vehículo y depende únicamente de los sensores y cámaras a bordo del sistema. Uno de los principales problemas con cámaras a bordo de drones es la oscilación presente en los vídeos capturados. Este inconveniente es más complejo para los MAVs porque las perturbaciones externas provocan mayor inestabilidad. Existen dispositivos mecánicos de estabilización de vídeo que reducen las oscilaciones en la cámara. Sin embargo, estos mecanismos implican una carga adicional al sistema y aumentan el costo de producción, gasto energético y el riesgo para las personas que se encuentren cerca en caso de accidente. En la presente tesis se propone el desarrollo de algoritmos de estabilización de vídeo por software sin elementos mecánicos adicionales en el sistema, a ser utilizados en tiempo real durante la navegación de los UAVs. En la literatura existen pocos algoritmos de estabilización de video aplicables en tiempo real, los cuales generan falsos movimientos (movimientos fantasma) en la imagen estabilizada. El algoritmo desarrollado es capaz de obtener una imagen estable y simultáneamente mantener los movimientos reales. Se han llevado a cabo múltiples experimentos con MAVs y las métricas de evaluación utilizadas evidencian el buen desempeño del algoritmo introducido.

Next-Generation Networks (NGNs) will converge the existing fixed and wireless networks. These networks rely on the IMS (IP Multimedia Subsystem), introduced by the 3GPP. The presence service came into being in instant messaging applications. A user¿s presence information consists in any context that is necessary for applications to handle and adapt the user's communications. The presence service is crucial in the IMS to deploy ubiquitous services. SIMPLE is the standard protocol for handling presence and instant messages. This protocol disseminates users' presence information through subscriptions, notifications and publications. SIMPLE generates much signaling traffic for constantly disseminating presence information and maintaining subscriptions, which may overload network servers. This issue is even more harmful to the IMS due to its centralized servers. A key factor in the success of NGNs is to provide users with always-on services that are seamlessly part of their daily life. Personalizing these services according to the users' needs is necessary for the success of these services. To this end, presence information is considered as a crucial tool for user-based personalization. This thesis can be briefly summarized through the following contributions: We propose filtering and controlling the rate of presence publications so as to reduce the information sent over access links. We probabilistically model presence information through Markov chains, and analyzed the efficiency of controlling the rate of publications that are modeled by a particular Markov chain. The reported results show that this technique certainly reduces presence overload. We mathematically study the amount of presence traffic exchanged between domains, and analyze the efficiency of several strategies for reducing this traffic. We propose an strategy, which we call Common Subscribe (CS), for reducing the presence traffic exchanged between federated domains. We compare this strategy traffic with that generated by other optimizations. The reported results show that CS is the most efficient at reducing presence traffic. We analyze the load in the number of messages that several inter-domain traffic optimizations cause to the IMS centralized servers. Our proposed strategy, CS, combined with an RLS (i.e., a SIMPLE optimization) is the only optimization that reduces the IMS load; the others increase this load. We estimate the efficiency of the RLS, thereby concluding that the RLS is not efficient under certain circumstances, and hence this optimization is discouraged. We propose a queuing system for optimizing presence traffic on both the network core and access link, which is capable to adapt the publication and notification rate based on some quality conditions (e.g, maximum delay). We probabilistically model this system, and validate it in different scenarios. We propose, and implement a prototype of, a fully-distributed platform for handling user presence information. This approach allows integrating Internet Services, such as HTTP or VoIP, and optimizing these services in an easy, user-personalized way. We have developed SECE (Sense Everything, Control Everything), a platform for users to create rules that handle their communications and Internet Services proactively. SECE interacts with multiple third-party services for obtaining as much user context as possible. We have developed a natural-English-like formal language for SECE rules. We have enhanced SECE for discovering web services automatically through the Web Ontology Language (OWL). SECE allows composing web services automatically based on real-world events, which is a significant contribution to the Semantic Web. The research presented in this thesis has been published through 3 book chapters, 4 international journals (3 of them are indexed in JCR), 10 international conference papers, 1 demonstration at an international conference, and 1 national conference / Next-Generation Networks (NGNs) son las redes de próxima generación que soportaran la convergencia de redes de telecomunicación inalámbricas y fijas. La base de NGNs es el IMS (IP Multimedia Subsystem), introducido por el 3GPP. El servicio de presencia nació de aplicaciones de mesajería instantánea. La información de presencia de un usuario consiste en cualquier tipo de información que es de utilidad para manejar las comunicaciones con el usuario. El servicio de presencia es una parte esencial del IMS para el despliegue de servicios ubicuos. SIMPLE es el protocolo estándar para manejar presencia y mensajes instantáneos en el IMS. Este protocolo distribuye la información de presencia de los usuarios a través de suscripciones, notificaciones y publicaciones. SIMPLE genera mucho tráfico por la diseminación constante de información de presencia y el mantenimiento de las suscripciones, lo cual puede saturar los servidores de red. Este problema es todavía más perjudicial en el IMS, debido al carácter centralizado de sus servidores. Un factor clave en el éxito de NGNs es proporcionar a los usuarios servicios ubicuos que esten integrados en su vida diaria y asi interactúen con los usuarios constantemente. La personalización de estos servicios basado en los usuarios es imprescindible para el éxito de los mismos. Para este fin, la información de presencia es considerada como una herramienta base. La tesis realizada se puede resumir brevemente en los siguientes contribuciones: Proponemos filtrar y controlar el ratio de las publicaciones de presencia para reducir la cantidad de información enviada en la red de acceso. Modelamos la información de presencia probabilísticamente mediante cadenas de Markov, y analizamos la eficiencia de controlar el ratio de publicaciones con una cadena de Markov. Los resultados muestran que este mecanismo puede efectivamente reducir el tráfico de presencia. Estudiamos matemáticamente la cantidad de tráfico de presencia generada entre dominios y analizamos el rendimiento de tres estrategias para reducir este tráfico. Proponemos una estrategia, la cual llamamos Common Subscribe (CS), para reducir el tráfico de presencia entre dominios federados. Comparamos el tráfico generado por CS frente a otras estrategias de optimización. Los resultados de este análisis muestran que CS es la estrategia más efectiva. Analizamos la carga en numero de mensajes introducida por diferentes optimizaciones de tráfico de presencia en los servidores centralizados del IMS. Nuestra propuesta, CS, combinada con un RLS (i.e, una optimización de SIMPLE), es la unica optimización que reduce la carga en el IMS. Estimamos la eficiencia del RLS, deduciendo que un RLS no es eficiente en ciertas circunstancias, en las que es preferible no usar esta optimización. Proponemos un sistema de colas para optimizar el tráfico de presencia tanto en el núcleo de red como en la red de acceso, y que puede adaptar el ratio de publicación y notificación en base a varios parametros de calidad (e.g., maximo retraso). Modelamos y analizamos este sistema de colas probabilísticamente en diferentes escenarios. Proponemos una arquitectura totalmente distribuida para manejar las información de presencia del usuario, de la cual hemos implementado un prototipo. Esta propuesta permite la integracion sencilla y personalizada al usuario de servicios de Internet, como HTTP o VoIP, asi como la optimizacón de estos servicios. Hemos desarrollado SECE (Sense Everything, Control Everything), una plataforma donde los usuarios pueden crear reglas para manejar todas sus comunicaciones y servicios de Internet de forma proactiva. SECE interactúa con una multitud de servicios para conseguir todo el contexto possible del usuario. Hemos desarollado un lenguaje formal que parace como Ingles natural para que los usuarios puedan crear sus reglas. Hemos mejorado SECE para descubrir servicios web automaticamente a través del lenguaje OWL (Web Ontology Language).

Soil moisture and vegetation biomass are two essential parameters from a scienti c and economical point of view. On one hand, they are key for the understanding of the hydrological and carbon cycle. On the other hand, soil moisture is essential for agricultural applications and water management, and vegetation biomass is crucial for regional development programs. Several remote sensing techniques have been used to measure these two parameters. However, retrieving soil moisture and vegetation biomass with the required accuracy, and the appropriate spatial and temporal resolutions still remains a major challenge. The use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) reflected signals as sources of opportunity for measuring soil moisture and vegetation biomass is assessed in this PhD Thesis. This technique, commonly known as GNSS-Reflectometry (GNSS-R), has gained increasing interest among the scienti c community during the last two decades due to its unique characteristics. Previous experimental works have already shown the capabilities of GNSS-R to sense small reflectivity changes on the surface. The use of the co- and cross-polarized reflected signals was also proposed to mitigate nuisance parameters, such as soil surface roughness, in the determination of soil moisture. However, experimental evidence of the suitability of that technique could not be demonstrated. This work analyses from a theoretical and an experimental point of view the capabilities of polarimetric observations of GNSS reflected signals for monitoring soil moisture and vegetation biomass. The Thesis is structured in four main parts. The fi rst part examines the fundamental aspects of the technique and provides a detailed review of the GNSS-R state of the art for soil moisture and vegetation monitoring. The second part deals with the scattering models from land surfaces. A comprehensive description of the formation of scattered signals from rough surfaces is provided. Simulations with current state of the art models for bare and vegetated soils were performed in order to analyze the scattering components of GNSS reflected signals. A simpli ed scattering model was also developed in order to relate in a straightforward way experimental measurements to soil bio-geophysical parameters. The third part reviews the experimental work performed within this research. The development of a GNSS-R instrument for land applications is described, together with the three experimental campaigns carried out in the frame of this PhD Thesis. The analysis of the GNSS-R and ground truth data is also discussed within this part. As predicted by models, it was observed that GNSS scattered signals from natural surfaces are a combination of a coherent and an incoherent scattering components. A data analysis technique was proposed to separate both scattering contributions. The use of polarimetric observations for the determination of soil moisture was demonstrated to be useful under most soil conditions. It was also observed that forests with high levels of biomass could be observed with GNSS reflected signals. The fourth and last part of the Thesis provides an analysis of the technology perspectives. A GNSS-R End-to-End simulator was used to determine the capabilities of the technique to observe di erent soil reflectivity conditions from a low Earth orbiting satellite. It was determined that high accuracy in the estimation of reflectivity could be achieved within reasonable on-ground resolution, as the coherent scattering component is expected to be the predominant one in a spaceborne scenario. The results obtained in this PhD Thesis show the promising potential of GNSS-R measurements for land remote sensing applications, which could represent an excellent complementary observation for a wide range of Earth Observation missions such as SMOS, SMAP, and the recently approved ESA Earth Explorer Mission Biomass. / La humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on son dos parametros clave desde un punto de vista tanto cient co como econ omico. Por una parte son esenciales para el estudio del ciclo del agua y del carbono. Por otra parte, la humedad del suelo es esencial para la gesti on de las cosechas y los recursos h dricos, mientras que la biomasa es un par ametro fundamental para ciertos programas de desarrollo. Varias formas de teledetección se han utilizado para la observaci on remota de estos par ametros, sin embargo, su monitorizaci on con la precisi on y resoluci on necesarias es todav a un importante reto tecnol ogico. Esta Tesis evalua la capacidad de medir humedad del suelo y biomasa de la vegetaci on con señales de Sistemas Satelitales de Posicionamiento Global (GNSS, en sus siglas en ingl es) reflejadas sobre la Tierra. La t ecnica se conoce como Reflectometr í a GNSS (GNSS-R), la cual ha ganado un creciente inter es dentro de la comunidad científ ca durante las dos ultimas d ecadas. Experimentos previos a este trabajo ya demostraron la capacidad de observar cambios en la reflectividad del terreno con GNSS-R. El uso de la componente copolar y contrapolar de la señal reflejada fue propuesto para independizar la medida de humedad del suelo de otros par ametros como la rugosidad del terreno. Sin embargo, no se pudo demostrar una evidencia experimental de la viabilidad de la t ecnica. En este trabajo se analiza desde un punto de vista te orico y experimental el uso de la informaci on polarim etrica de la señales GNSS reflejadas sobre el suelo para la determinaci on de humedad y biomasa de la vegetaci on. La Tesis se estructura en cuatro partes principales. En la primera parte se eval uan los aspectos fundamentales de la t ecnica y se da una revisi on detallada del estado del arte para la observaci on de humedad y vegetaci on. En la segunda parte se discuten los modelos de dispersi on electromagn etica sobre el suelo. Simulaciones con estos modelos fueron realizadas para analizar las componentes coherente e incoherente de la dispersi on de la señal reflejada sobre distintos tipos de terreno. Durante este trabajo se desarroll o un modelo de reflexi on simpli cado para poder relacionar de forma directa las observaciones con los par ametros geof sicos del suelo. La tercera parte describe las campañas experimentales realizadas durante este trabajo y discute el an alisis y la comparaci on de los datos GNSS-R con las mediciones in-situ. Como se predice por los modelos, se comprob o experimentalmente que la señal reflejada est a formada por una componente coherente y otra incoherente. Una t ecnica de an alisis de datos se propuso para la separacióon de estas dos contribuciones. Con los datos de las campañas experimentales se demonstr o el bene cio del uso de la informaci on polarim etrica en las señales GNSS reflejadas para la medici on de humedad del suelo, para la mayor a de las condiciones de rugosidad observadas. Tambi en se demostr o la capacidad de este tipo de observaciones para medir zonas boscosas densamente pobladas. La cuarta parte de la tesis analiza la capacidad de la t ecnica para observar cambios en la reflectividad del suelo desde un sat elite en orbita baja. Los resultados obtenidos muestran que la reflectividad del terreno podr a medirse con gran precisi on ya que la componente coherente del scattering ser a la predominante en ese tipo de escenarios. En este trabajo de doctorado se muestran la potencialidades de la t ecnica GNSS-R para observar remotamente par ametros del suelo tan importantes como la humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on. Este tipo de medidas pueden complementar un amplio rango de misiones de observaci on de la Tierra como SMOS, SMAP, y Biomass, esta ultima recientemente aprobada para la siguiente misi on Earth Explorer de la ESA.

La idea básica de detección de defectos basada en vibraciones en Monitorización de la Salud Estructural (SHM), es que el defecto altera las propiedades de rigidez, masa o disipación de energía de un sistema, el cual, altera la respuesta dinámica del mismo. Dentro del contexto de reconocimiento de patrones, esta tesis presenta una metodología híbrida de razonamiento para evaluar los defectos en las estructuras, combinando el uso de un modelo de la estructura y/o experimentos previos con el esquema de razonamiento basado en el conocimiento para evaluar si el defecto está presente, su gravedad y su localización. La metodología involucra algunos elementos relacionados con análisis de vibraciones, matemáticas (wavelets, control de procesos estadístico), análisis y procesamiento de señales y/o patrones (razonamiento basado en casos, redes auto-organizativas), estructuras inteligentes y detección de defectos. Las técnicas son validadas numérica y experimentalmente considerando corrosión, pérdida de masa, acumulación de masa e impactos. Las estructuras usadas durante este trabajo son: una estructura tipo cercha voladiza, una viga de aluminio, dos secciones de tubería y una parte del ala de un avión comercial. / The basic premise of vibration-based damage detection in Structural Health Monitoring is that the damage will alter the stiffness, mass or energy dissipation properties of a system, which, in turn, will alter the measured dynamic response of the system. Within the context of pattern recognition, this thesis presents a hybrid reasoning methodology for damage assessment of structures, combining the use of a model of the structure and/or previous experiments with a knowledge-based reasoning scheme to evaluate if damage is present, its severity and its location. The methodology involves some elements related to vibration analysis, mathematics (wavelets, statistical process control), signal/pattern analysis/processing (knowledge-based reasoning, self organizing maps), smart structures and damage detection. Approaches are numerically and experimentally validated considering corrosion, mass reduction, adding masses, and impact loads. Structures used along all this work are: a cantilever truss, an aluminium beam, two pipe sections and a portion of a wing aircraft.

Introspecció sobre la dinàmica dels agents té un important impacte en decisions individuals i cooperatives en entorns multi-agent. Introspecció, una habilitat cognitiva provinent de la metàfora "agent", permet que els agents siguin conscients de les seves capacitats per a realitzar correctament les tasques. Aquesta introspecció, principalment sobre capacitats relacionades amb la dinàmica, proporciona als agents un raonament adequat per a assolir compromisos segurs en sistemes cooperatius. Per a tal fi, les capacitats garanteixen una representació adequada i explícita de tal dinàmica. Aquest enfocament canvia i millora la manera com els agents poden coordinar-se per a portar a terme tasques i com gestionar les seves interaccions i compromisos en entorns cooperatius. L'enfocament s'ha comprovat en escenaris on la coordinació és important, beneficiosa i necessària. Els resultats i les conclusions són presentats ressaltant els avantatges de la introspecció en la millora del rendiment dels sistemes multi-agent en tasques coordinades i assignació de tasques. / Introspective reasoning on physical agents' dynamics will have an important impact on both individual and cooperative decisions in multi-agent environments. Introspection, a cognitive ability coming from the agent metaphor, allows agents to be aware of their capabilities to perform correctly the tasks proposed by other agents. Introspection, mainly on capabilities related to dynamics, provides agents a reliable reasoning for achieving sure commitments in cooperative systems. To that end, control-grounded capabilities guarantee an appropriate and explicit agent-oriented representation of the physical agents' dynamics.This approach changes and improves the way how agents can coordinate with each other to perform the proposed tasks and how they manage their interactions and commitments in cooperative environments. The approach is tested on several scenarios where coordination is relevant, beneficial and necessary. Experimental results and conclusions emphasizing the advantages of introspection in the improvement of multi-agent performance in coordinated tasks and task allocation problems are presented.

El aumento de la competencia en el área de la fabricación moderna ha propiciado una mayor preocupación por la reducción de los costes, por el aumento de la calidad del producto y por la reducción progresiva del tiempo entre el concepto y la producción. Estas exigencias, vinculadas a la complejidad creciente de los requerimientos funcionales de los productos y los sistemas productivos, han contribuido de manera sustancial en los últimos años, a un mayor interés en el estudio de las dimensiones y las tolerancias asistidas por ordenador. La revisión bibliográfica muestra que existen muy pocos estudios donde se relacione en el ámbito del diseño conceptual, la acotación funcional y la modelación del ensamble, orientado al análisis y/o síntesis de tolerancias.Motivado por estos aspectos, en esta tesis se plantea el desarrollo de un modelo orientado a los sistemas CAD, que permita una caracterización y representación de los requerimientos funcionales y las tolerancias en la etapa de especificación del proceso de diseño; y el desarrollo de un método para la modelación del ensamble que posibilite un análisis primario de las cadenas de cotas en el diseño conceptual. De esta forma se contribuye a que la toma de decisiones vinculadas a las tolerancias se encuentre en las etapas primarias del proceso de diseño.Para satisfacer esta necesidad, se caracterizó a los requerimientos funcionales y las tolerancias en la etapa de especificación del proceso de diseño, a través de una estructura funcional en tres dimensiones que permite capturar la intención del diseñador. Esta estructura permite clasificar los diferentes requerimientos y estudiarlos de una manera sistemática, utilizando el análisis de la jerarquía, la descomposición y el chequeo de las dependencias funcionales. Para lograr una adecuada representación de los requerimientos funcionales y las tolerancias, se propone un conjunto de matrices que permiten la captura de la intención del diseñador. Para vincular de forma coherente a los requerimientos funcionales expresados en la estructura funcional y la modelación del ensamble mecánico en el diseño conceptual, se creó un método gráfico denominado "método de la burbuja" que permite realizar el análisis primario de las cadenas de cotas en el diseño conceptual. Este método se define a través de un conjunto de símbolos que soporta el lenguaje gráfico, cuyo funcionamiento está impuesto por una serie de reglas y secuencias que garantizan una adecuada representación del modelo, siguiendo una lógica algorítmica. Se desarrollaron varios casos con el objetivo de obtener la validación del modelo propuesto.En la investigación, el estudio de los requerimientos funcionales está restringido hacia aquellos requerimientos relacionados directamente con la forma geométrica y dimensional del producto. Dentro de la acotación funcional, la investigación se inscribe en la síntesis de cotas -distribución de cotas. / The competition increasing in the area of modern production has promoted a bigger concern for the costs reduction, quality increasing of the product and the time progressive reduction between the concept and production. These demands, linked to the growing complexity of the product functional requirements and productive systems, they have contributed in a substantial way in the last years to a bigger interest in the study of the computer-aided dimensions and tolerances. The bibliographical revision shows that very few studies exist which relates, in the environment of the conceptual design, the functional dimensioning and the assemblies modelling guided to the analysis and/or tolerances synthesis.Motivated by these aspects, this thesis show the model development guided to the CAD systems, that allows a characterization and representation of the functional requirements and the tolerances in the specification stage of design process. And the development of an assembly modelling method, which facilitates a primary analysis of the chains of tolerances in the conceptual design. This method contributed to make the tolerances linked decisions in the primary stages of design process.To satisfy this necessity, it was characterized the functional requirements and the tolerances in the specification stage of design process, through the three-dimensional functional structure which allows to capture the designer's intention. This structure allows to classify the different requirements and to study them in a systematic manner, using the hierarchy analysis, decomposition and control of functional dependences. To achieve an appropriate representation of functional requirements and tolerances, it has developed a one matrices group for the capture of the designer's intention.To link in a coherent manner, the functional requirements of the functional structure and the mechanical assemblies modelling in the conceptual design, it has developed a graphical method named "bubble method" that allows to carry out the tolerances chains primary analysis in the conceptual design. This method is defined through the group of symbols that supports the graphical language such operation is imposed by a series of rules and sequences that guarantee an appropriate representation of the model, following a logical algorithm. Several cases were developed to obtain the validation of proposed model.The study of functional requirements developed in this investigation is restricted to those directly related to the geometrical and dimensional product form. Within the functional tolerances, the investigation belongs to the tolerance synthesis (tolerance distribution) field.

This thesis verses about the research conducted in the topic of speaker recognition in real conditions like as meeting rooms, telephone quality speech and radio and TV broadcast news. The main objective is concerned to the automatic detection and the classification of speakers into a smart-room scenario. Acoustic speaker recognition is the application of a machine to identify an individual from a spoken sentence. It aims at processing the acoustic signals to convert them in symbolic descriptions corresponding to the identity of the speakers. For the last several years, speaker recognition in real situation has been attracting a substantial research attention becoming one of the spoken language technologies adding quality improvement, or enrichment, of recording transcriptions. In real conditions and particularly, the human activity that takes place in meeting-rooms or class-rooms, compared to other domains exhibits an increased complexity and a challenging problem due to the spontaneity of speech, reverberation effects, the presence of overlapped speech, room setup and channel variability or a rich assortment of acoustic events, either produced by the humans or by objects handled by them. Therefore, the determination of both the identity of speakers and their position in time may help to detect and describe that human activity and to provide machine context awareness. We first seek to improve traditional modeling approaches for speaker identification and verification, which are based on Gaussian Mixture Models, through multi-decision and multi-channel processing strategies, in smart-room scenario. We put emphasis in studying speaker and channel variability techniques such as Maximum a Posteriori Adaptation, Nuisance Attribute Projection, Joint Factor Analysis, or score normalization; aiming to find out strategies and techniques to deal with such drawback. Moreover, we describe a novel speaker verification algorithm that makes use of adapted features from automatic speech recognition. In a second line of research, related to speaker detection in continuous audio stream, where the optimum number of speakers of their identities are unknown a priory. We developed and adapted some of the previous speaker recognition techniques to a baseline speaker diarization system based upon Hidden Markov Models and Agglomerative Hierarchical Clustering. We evaluate the application of TDOA feature dynamics and other features in order to improve clustering initialization in the AHC or the detection and handling of speaker overlaps; we assess the impact and synergies with technologies like as Speech Activity Detection and Acoustic Event Detection integrated with the diarization system; and we propose and compare new methods as spectral clustering. Moreover, the adaptation of the diarization system to broadcast news domain and to the speaker tracking task is also addressed. Finally, the fusion and combination with video and image modalities is also highlighted across this thesis work, in both speaker identification and tracking approaches. Techniques such as Matching Weighting or Particle Filter are proposed in order to combine scores and likelihoods from different modalities. Results provided demonstrate that these information sources can play also an important role in the automatic person recognition task, adding complementary knowledge to the traditional acoustic spectrum-based recognition systems and thus improving their accuracy. This thesis work was performed in the framework of several international and national projects, among them the CHIL EU project and the Catalan founded project Tecnoparla; and in the participation in technology evaluations such as CLEAR, NIST Rich Transcription (RT), NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) and the Spanish tracking evaluation Albayzin. / Esta tesis resume el trabajo realizado en el área de reconocimiento de hablantes en condiciones reales tales como reuniones en salas, en conversaciones de calidad telefónica y en el dominio de programas de tv y radio. El principal objetivo se centra en la detección automática y clasificación de hablantes en una sala inteligente. El reconocimiento automático del hablante se define como el uso de una maquina para identificar a un individuo a través de su voz. El objetivo es el procesamiento de la señal acústica para convertirla en descripciones simbólicas que se correspondan con las identidades de los hablantes. Durante los últimos años, el reconocimiento del hablante en situaciones reales ha atraído una sustancial atención de los investigadores convirtiéndose en una de las tecnologías del habla capaz de aportar calidad, o enriquecer, las transcripciones de grabaciones de audio. En condiciones reales y en concreto, la actividad humana que tiene lugar en salas de reuniones o clases docentes, comparada con la de otros dominios exhibe una mayor complejidad y es un problema arduo debido a la espontaneidad del habla, los efectos reverberantes, la presencia de solapamientos entre locutores, la configuración de la sala y la variabilidad de canal o la gran cantidad de eventos acústicos, tanto producidos por las personas como por objetos. Es evidente que discernir tanto la identidad del hablante como su posición en tiempo puede ayudar a describir la actividad y proporcionar el conocimiento y percepción de la situación por parte de la máquina. En el inicio se busca la mejora de los sistemas tradicionales de modelado para las tareas de identificación y verificación, basados en modelos de mezcla de Gaussianas, a través de estrategias de decisión múltiple y procesamiento multi-canal en salas inteligentes. El estudio se centra en técnicas de variabilidad del hablante y de canal tales como adaptación Maximum a Posteriori, proyecciones Nuisance Attribute, análisis factorial, o normalización de puntuaciones; intentando encontrar estrategias para atacar dicha problemática. Además, se describe un original método para la tarea de verificación del hablante que utiliza características adaptadas a través de un reconocedor automático del habla. Una segunda línea de investigación se relaciona con la detección automática en audio de múltiples hablantes, dónde tanto su número y sus identidades son desconocidas de antemano. En ella se desarrollan y adaptan algunas de las anteriores técnicas a un sistema estándard de diarización basado en modelos ocultos de Markov y clustering jerárquico aglomerado de los datos. Evaluamos la aplicación de la dinámica dada por características basadas en retardos entre sensores (TDOA) con intención de mejorar el clustering o la detección y tratamiento de los solapamientos entre hablantes; evaluamos el impacto y las sinergias creadas con tecnologías como la detección del habla y la detección de eventos acústicos, integrándolas con el diarizador y se propone un nuevo método basado en clustering espectral. Además se adapta el sistema de diarización tanto para el procesamiento de programas de radio y televisión como para el seguimiento de locutores específicos. A lo largo del trabajo se resalta la fusión y combinación con las modalidades de vídeo e imagen, tanto en diarización como en seguimiento de hablantes. Técnicas basadas en ponderación según acierto o en filtros de partículas se proponen para combinar puntuaciones y probabilidades generadas por cada modalidad. Esta tesis se realizó en el contexto de varios proyectos internacionales y nacionales, entre los que se encuentra el proyecto europeo CHIL y el proyecto Catalán Tecnoparla; y en la participación en evaluaciones de tecnología como CLEAR, NIST Rich Transcription (RT), NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) y la evaluación española Albayzin en seguimiento.