To overcome the current under-utilization of spectrum resources, the CR (Cognitive Radio) paradigm has gained an increasing interest to perform the so-called Dynamic Spectrum Access (DSA). In this respect, Cognitive Radio networks (CRNs) have been strengthened with cognitive management support to push forward their deployment and commercialization. This dissertation has assessed the relevance of exploiting several cognitive management functionalities in various scenarios and case studies. Specifically, this dissertation has constructed a generic cognitive management framework, based on the fittingness factor concept, to support spectrum management in CRNs. Under this framework, the dissertation has addressed two of the most promising CR applications, namely an Opportunistic Spectrum Access (OSA) to licensed bands and open sharing of license-exempt bands. In the former application, several strategies that exploit temporal statistical dependence between primary activity/inactivity durations to perform a proactive spectrum selection have been discussed. A set of guidelines to select the most relevant strategy for a given environment have been provided. In the latter application, a fittingness factor-based spectrum selection strategy has been proposed to efficiency exploit the different bands. Several formulations of the fittingness factor have been compared, and their relevance have been assessed under different settings. Drawing inspiration from these applications, a more general proactive strategy exploiting a characterization of spectrum resources at both the time and frequency domains has been developed to jointly assist spectrum selection (SS) and spectrum mobility (SM) functionalities. Several variants of the proposed strategy, each combining different choices and options of implementation, have been compared to identify which of its components have the most significant impact on performance depending on the working conditions of the CRN. To assess rationality of the proposed strategy with respect to other strategies, a cost-benefit analysis has been conducted to confront the introduced gain in terms of user satisfaction level to the incurred cost in terms of signaling amount. Finally, the dissertation has conducted an analysis of practicality aspects in terms of robustness to environment uncertainty and applicability to realistic environments. With respect to the former aspect, robustness has been assessed in front of two sources of uncertainty, namely imperfection of the acquisition process and non-stationarity of the environment, and additional functionalities have been developed, when needed, to improve robustness. With respect to the latter, the proposed framework has been applied to a Digital Home (DH) environment to validate the obtained key findings under realistic conditions.

If speech is acquired by a close-talking microphone in a controlled and noise-free environment, current state-of-the-art recognition systems often show an acceptable error rate. The use of close-talking microphones, however, may be too restrictive in many applications. Alternatively, distant-talking microphones, often placed several meters far from the speaker, may be used. Such setup is less intrusive, since the speaker does not have to wear any microphone, but the Automatic Speech Recognition (ASR) performance is strongly affected by noise and reverberation. The thesis is focused on ASR applications in a room environment, where reverberation is the dominant source of distortion, and considers both single- and multi-microphone setups. If speech is recorded in parallel by several microphones arbitrarily located in the room, the degree of distortion may vary from one channel to another. The difference among the signal quality of each recording may be even more evident if those microphones have different characteristics: some are hanging on the walls, others standing on the table, or others build in the personal communication devices of the people present in the room. In a scenario like that, the ASR system may benefit strongly if the signal with the highest quality is used for recognition. To find such signal, what is commonly referred as Channel Selection (CS), several techniques have been proposed, which are discussed in detail in this thesis. In fact, CS aims to rank the signals according to their quality from the ASR perspective. To create such ranking, a measure that either estimates the intrinsic quality of a given signal, or how well it fits the acoustic models of the recognition system is needed. In this thesis we provide an overview of the CS measures presented in the literature so far, and compare them experimentally. Several new techniques are introduced, that surpass the former techniques in terms of recognition accuracy and/or computational efficiency. A combination of different CS measures is also proposed to further increase the recognition accuracy, or to reduce the computational load without any significant performance loss. Besides, we show that CS may be used together with other robust ASR techniques, and that the recognition improvements are cumulative up to some extent. An online real-time version of the channel selection method based on the variance of the speech sub-band envelopes, which was developed in this thesis, was designed and implemented in a smart room environment. When evaluated in experiments with real distant-talking microphone recordings and with moving speakers, a significant recognition performance improvement was observed. Another contribution of this thesis, that does not require multiple microphones, was developed in cooperation with the colleagues from the chair of Multimedia Communications and Signal Processing at the University of Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Germany. It deals with the problem of feature extraction within REMOS (REverberation MOdeling for Speech recognition), which is a generic framework for robust distant-talking speech recognition. In this framework, the use of conventional methods to obtain decorrelated feature vector coefficients, like the discrete cosine transform, is constrained by the inner optimization problem of REMOS, which may become unsolvable in a reasonable time. A new feature extraction method based on frequency filtering was proposed to avoid this problem. / Los actuales sistemas de reconocimiento del habla muestran a menudo una tasa de error aceptable si la voz es registrada por micr ofonos próximos a la boca del hablante, en un entorno controlado y libre de ruido. Sin embargo, el uso de estos micr ofonos puede ser demasiado restrictivo en muchas aplicaciones. Alternativamente, se pueden emplear micr ofonos distantes, los cuales a menudo se ubican a varios metros del hablante. Esta con guraci on es menos intrusiva ya que el hablante no tiene que llevar encima ning un micr ofono, pero el rendimiento del reconocimiento autom atico del habla (ASR, del ingl es Automatic Speech Recognition) en dicho caso se ve fuertemente afectado por el ruido y la reverberaci on. Esta tesis se enfoca a aplicaciones ASR en el entorno de una sala, donde la reverberaci on es la causa predominante de distorsi on y se considera tanto el caso de un solo micr ofono como el de m ultiples micr ofonos. Si el habla es grabada en paralelo por varios micr ofonos distribuidos arbitrariamente en la sala, el grado de distorsi on puede variar de un canal a otro. Las diferencias de calidad entre las señales grabadas pueden ser m as acentuadas si dichos micr ofonos muestran diferentes características y colocaciones: unos en las paredes, otros sobre la mesa, u otros integrados en los dispositivos de comunicaci on de las personas presentes en la sala. En dicho escenario el sistema ASR se puede bene ciar enormemente de la utilizaci on de la señal con mayor calidad para el reconocimiento. Para hallar dicha señal se han propuesto diversas t ecnicas, denominadas CS (del ingl es Channel Selection), las cuales se discuten detalladament en esta tesis. De hecho, la selecci on de canal busca ranquear las señales conforme a su calidad desde la perspectiva ASR. Para crear tal ranquin se necesita una medida que tanto estime la calidad intr nseca de una selal, como lo bien que esta se ajusta a los modelos ac usticos del sistema de reconocimiento. En esta tesis proporcionamos un resumen de las medidas CS hasta ahora presentadas en la literatura, compar andolas experimentalmente. Diversas nuevas t ecnicas son presentadas que superan las t ecnicas iniciales en cuanto a exactitud de reconocimiento y/o e ciencia computacional. Tambi en se propone una combinaci on de diferentes medidas CS para incrementar la exactitud de reconocimiento, o para reducir la carga computacional sin ninguna p erdida signi cativa de rendimiento. Adem as mostramos que la CS puede ser empleada junto con otras t ecnicas robustas de ASR, tales como matched condition training o la normalizaci on de la varianza y la media, y que las mejoras de reconocimiento de ambas aproximaciones son hasta cierto punto acumulativas. Una versi on online en tiempo real del m etodo de selecci on de canal basado en la varianza del speech sub-band envelopes, que fue desarrolladas en esta tesis, fue diseñada e implementada en una sala inteligente. Reportamos una mejora signi cativa en el rendimiento del reconocimiento al evaluar experimentalmente grabaciones reales de micr ofonos no pr oximos a la boca con hablantes en movimiento. La otra contribuci on de esta tesis, que no requiere m ultiples micr ofonos, fue desarrollada en colaboraci on con los colegas del departamento de Comunicaciones Multimedia y Procesamiento de Señales de la Universidad de Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Alemania. Trata sobre el problema de extracci on de caracter sticas en REMOS (del ingl es REverberation MOdeling for Speech recognition). REMOS es un marco conceptual gen erico para el reconocimiento robusto del habla con micr ofonos lejanos. El uso de los m etodos convencionales para obtener los elementos decorrelados del vector de caracter sticas, como la transformada coseno discreta, est a limitado por el problema de optimizaci on inherente a REMOS, lo que har a que, utilizando las herramientas convencionales, se volviese un problema irresoluble en un tiempo razonable. Para resolver este problema hemos desarrollado un nuevo m etodo de extracci on de caracter sticas basado en fi ltrado frecuencial / Els sistemes actuals de reconeixement de la parla mostren sovint una taxa d'error acceptable si la veu es registrada amb micr ofons pr oxims a la boca del parlant, en un entorn controlat i lliure de soroll. No obstant, l' us d'aquests micr ofons pot ser massa restrictiu en moltes aplicacions. Alternativament, es poden utilitzar micr ofons distants, els quals sovint s on ubicats a diversos metres del parlant. Aquesta con guraci o es menys intrusiva, ja que el parlant no ha de portar a sobre cap micr ofon, per o el rendiment del reconeixement autom atic de la parla (ASR, de l'angl es Automatic Speech Recognition) en aquest cas es veu fortament afectat pel soroll i la reverberaci o. Aquesta tesi s'enfoca a aplicacions ASR en un ambient de sala, on la reverberaci o es la causa predominant de distorsi o i es considera tant el cas d'un sol micr ofon com el de m ultiples micr ofons. Si la parla es gravada en paral lel per diversos micr ofons distribuï ts arbitràriament a la sala, el grau de distorsi o pot variar d'un canal a l'altre. Les difer encies en qualitat entre els senyals enregistrats poden ser m es accentuades si els micr ofons tenen diferents caracter stiques i col locacions: uns a les parets, altres sobre la taula, o b e altres integrats en els aparells de comunicaci o de les persones presents a la sala. En un escenari com aquest, el sistema ASR es pot bene ciar enormement de l'utilitzaci o del senyal de m es qualitat per al reconeixement. Per a trobar aquest senyal s'han proposat diverses t ecniques, anomenades CS (de l'angl es Channel Selection), les quals es discuteixen detalladament en aquesta tesi. De fet, la selecci o de canal busca ordenar els senyals conforme a la seva qualitat des de la perspectiva ASR. Per crear tal r anquing es necessita una mesura que estimi la qualitat intr nseca d'un senyal, o b e una que valori com de b e aquest s'ajusta als models ac ustics del sistema de reconeixement. En aquesta tesi proporcionem un resum de les mesures CS ns ara presentades en la literatura, comparant-les experimentalment. A m es, es presenten diverses noves t ecniques que superen les anteriors en termes d'exactitud de reconeixement i / o e ci encia computacional. Tamb e es proposa una combinaci o de diferents mesures CS amb l'objectiu d'incrementar l'exactitud del reconeixement, o per reduir la c arrega computacional sense cap p erdua signi cativa de rendiment. A m es mostrem que la CS pot ser utilitzada juntament amb altres t ecniques robustes d'ASR, com ara matched condition training o la normalitzaci o de la varian ca i la mitjana, i que les millores de reconeixement de les dues aproximacions s on ns a cert punt acumulatives. Una versi o online en temps real del m etode de selecci o de canal basat en la varian ca de les envolvents sub-banda de la parla, desenvolupada en aquesta tesi, va ser dissenyada i implementada en una sala intel ligent. A l'hora d'avaluar experimentalment gravacions reals de micr ofons no pr oxims a la boca amb parlants en moviment, es va observar una millora signi cativa en el rendiment del reconeixement. L'altra contribuci o d'aquesta tesi, que no requereix m ultiples micr ofons, va ser desenvolupada en col laboraci o amb els col legues del departament de Comunicacions Multimedia i Processament de Senyals de la Universitat de Erlangen-Nuremberg, Erlangen, Alemanya. Tracta sobre el problema d'extracci o de caracter stiques a REMOS (de l'angl es REverberation MOdeling for Speech recognition). REMOS es un marc conceptual gen eric per al reconeixement robust de la parla amb micr ofons llunyans. L' us dels m etodes convencionals per obtenir els elements decorrelats del vector de caracter stiques, com ara la transformada cosinus discreta, est a limitat pel problema d'optimitzaci o inherent a REMOS. Aquest faria que, utilitzant les eines convencionals, es torn es un problema irresoluble en un temps raonable. Per resoldre aquest problema hem desenvolupat un nou m etode d'extracci o de caracter ístiques basat en fi ltrat frecuencial.

This thesis presents the conception, design and implementation of new topologies of multimodal microwave resonators and filters, using a combination of uniplanar technologies such as coplanar waveguide (CPW), coplanar strips (CPS) and slotlines. The term "multimodal" refers to uniplanar circuits in which the two fundamental modes of the CPW propagate (the even and the odd mode). By using both modes of the CPW, it is possible to achieve added functions, such as additional transmission zeros to increase the rejection, or to attenuate harmonic frequencies to improve the out-of-band rejection. Moreover, it is demonstrated that by using multimodal circuits, it is possible to reduce the length of of a conventional filter up to 80%. In addition to bandpass filters, new topologies of compact band-stop filters are developed. The proposed band-stop filters make use of slow-wave resonators to decrease the total area of the filters and achieve compact topologies. This work also addresses the development of synthesis techniques for each multimodal filter. The design equations were obtained from generalized multimodal circuits available in the literature, which have been adapted for each particular case and modeled as basic filter components, such as immitance inverters or lumped elements. By using the proposed synthesis equations, it is possible to design filters with a desired response and relative bandwidth. The use of the proposed synthesis enables a fast analysis and design of multimodal filters using circuit simulators. As an added feature, several reconfigurable and tunable filter topologies were demonstrated, using active devices (PIN diodes and varactors) or RF-MEMS. These new topologies demonstrate the flexibility of multimodal circuits. For the RF-MEMS-based tunable filters, different capacitive and ohmic switches were designed, fabricated and measured. As an example of the additional degrees of freedom using of RF-MEMS and multimodal CPW circuits, a reconfigurable filter using RF-MEMS switchable air-bridges as a reconfiguration device has been demonstrated in this work for the first time.

Multilevel converter technology has been receiving increasing attention during the last years due to its important advantages compared to conventional two-level conversion. Multilevel converters reduce the voltage across each semiconductor. These converters also synthesize waveforms with better harmonic spectrum, and in most cases, increasing the efficiency of the power conversion system. However, a larger quantity of semiconductors is needed and the modulation strategy to control them becomes more complex. There are three basic multilevel converter topologies: diode clamped, flying capacitor, and cascaded H-bridge with separate dc sources. Numerous hybrid configurations combining them and other multilevel topologies have also been presented in the literature. A novel multilevel active-clamped (MAC) topology is the subject of study of the present thesis. This topology is derived from the generalized multilevel topology by simply removing all flying capacitors. The topology can also be seen as an extension into an arbitrary number of levels of the three-level active neutral-point-clamped (ANPC) topology. The novel converter is controlled using a proper set of switching states and a switching state transition strategy, which permits to obtain the maximum benefits from the converter. In this thesis, the performance and operating capabilities of the MAC topology are studied through comprehensive efficiency and fault-tolerance analyses. The efficiency analysis comprises a study of power-device conduction and switching losses in the topology, followed by analytical and experimental efficiency comparisons between the MAC converter and conventional two-level converters. In the analysis of the fault-tolerance capacity of the MAC topology both open- and short-circuit faults are considered and the analysis is carried out under single-device and two-simultaneous-device faults. Switching strategies to overcome the limitations caused by faults and topology variations to increment the fault-tolerance ability of the MAC converter are proposed. The thesis also proposes guidelines to guarantee a proper MAC converter design and improve its performance.

A material that is enabling integrated optics is the ferroelectric crystal Lithium Niobate (LiNbO3), which has excellent electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. Moreover, it can be doped with laser-active ions and allows for simple fabrication of low-loss optical waveguides. The broad aim of this work is to develop and introduce advanced micro- and nano-fabrication techniques for LiNbO3 and a new class of integrated based telecommunication and sensing devices. The techniques developed include precise micro-domain inversion, etching, bonding and thin film fabrication. From a device point of view, domain inversion is used to improve the electro-optic response of LiNbO3 waveguide modulators in terms of bandwidth and driving voltage. With respect to standard single-domain structures, larger bandwidths and lower driving voltages can be obtained, thus achieving figure of merits for the electro-optic response that are up to 50% larger. As a demonstration, a chirp-free modulator, having ~2V switching voltage and bandwidth of 15 GHz, was fabricated by placing the waveguide arms of a Mach-Zehnder interferometer in opposite do- main oriented regions. The modulator could be driven in a single-drive configuration with inexpensive low-voltage drivers, e.g. a SiGe based RF amplifier, typically used for electro-absorption devices. A further aspect of this work focuses on the development of devices for the precise measurement of strong electric fields, which are typically generated in power stations and transmission lines. Therefore, two new integrated electric field sensors are proposed, each of which exploits the aforementioned micro-fabrication techniques. The first device is based on a proton-exchange waveguide at cut-off, centered on a few microns wide domain-inverted region in a z-cut LiNbO3 substrate. The sensor’s performance is demonstrated by detecting DC fields up to 2.6 MV/m and high-frequency (1.1 GHz) fields ranging from 19 V/m to 23 kV/m. The second proposed device is fabricated by direct bonding a z-cut LiNbO3 substrate on top of a cut-off proton-exchanged waveguide centered on the domain-inverted region. It is possible to detect electric fields as high as 2 MV/m at low frequency with improved sensitivity compared to the previous device. These features make the devices suitable for use in high electric field and harsh conditions without endangering the operator. The conclusions section of the Thesis presents possible future developments which will contribute to increase the impact of the work in the optical telecommunication and sensing industries. After a brief introduction, the second chapter describes the basic properties of the material used in the thesis work: Lithium Niobate (LiNbO3). This includes the properties related to its ferroelectric crystal structure and the subsequent applications. Chapter three presents the micro-fabrication techniques, over 3 inch LiNbO3 wafers, developed at ICFO during this work. The chapter begins with a description of waveguides fabrication by Annealed Proton Exchange (APE). The mid-part of the chapter outlines the fabrication procedure for domain inversion using electric field poling technique and liquid electrodes while the last part describes the bonding technique to permanently join LiNbO3 with different substrates, namely Si, SiO2 and another LiNbO3. Moreover, lapping and polishing techniques for thin plate fabrication are presented. The forth chapter firstly introduces the fundamentals and main characteristics of travelling-wave LiNbO3 Mach-Zehnder modulators. Secondly, a new modulator design is proposed. It is based on domain inverted LiNbO3, with improved performance with respect to existing devices. The modulator characterization and the results obtained from the new design are presented. The chapter five begins with a literature review about DC and low frequency electric field optical sensors. Afterwards, two novel all-optical electric field sensors are presented. Both devices are based on a proton-exchange, domain inversion and bonding techniques. The sensors characterization, including the test set-up and the performance results are discussed. Finally, in chapter six, several conclusions on the thesis work and possible future work directions are presented. / Uno de los materiales que permite el avance de la tecnología de dispositivos ópticos integrados es el niobato de litio (LiNbO3). Se trata de un cristal ferro-eléctrico, con excelentes propiedades electro-ópticas, acusto-ópticas y no lineales. Además, es posible fabricar guías de onda de bajas pérdidas mediante las técnicas de intercambio protónico (PE) y difusión de titanio. El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo y la introducción tanto de las técnicas avanzadas de micro-nano fabricación para el niobato de litio como de nuevos dispositivos ópticos integrados para las comunicaciones ópticas y la detección de campo eléctricos de alto voltaje. La técnicas de fabricación desarrolladas incluyen inversión de dominios mediante la técnica de poling de alto voltaje, grabado, bonding y capas delgadas. Desde el punto de vista de los dispositivos, la inversión de dominios ha sido utilizada para mejorar la respuesta electro-óptica de los moduladores en LiNbO3 en términos de ancho de banda (BW) y voltaje de control (Vπ). En comparación con los moduladores comerciales actuales de un único dominio, con esta técnica es posible obtener mayores anchos de banda y menores voltajes de control resultando en un aumento del 50% del producto BW·Vπ. Para demonstrar la eficacia de la técnica desarrollada, se ha fabricado un modulador Mach-Zehnder chirp-free poniendo los brazos del interferómetro en dos regiones de dominios opuestos. De las mediciones efectuadas se han obtenidos valores de voltaje de control de 2V y ancho de banda de 15 GHz. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden reducir el coste total de funcionamiento, ya que permiten el uso de controladores económicos de Si-Ge que operan en el rango de los 2V. Otro aspecto de este trabajo se enfoca en el desarrollo de dispositivos para medir, de forma exacta, altos campos eléctricos, que normalmente son generados en las centrales eléctricas y en las líneas de transmisión. Por este motivo, se han desarrollado dos sensores de campo eléctrico mediante las técnicas de micro-fabricación anteriormente mencionadas. El primer dispositivo está basado en una guía fabricada mediante intercambio protónico en LiNbO3 z-cut, diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El rendimiento del dispositivo se ha demostrado detectando campos a baja frecuencia con amplitudes de hasta 2.6MV/m y campos a la frecuencia de 1.1GHz con amplitudes desde 19V/m hasta 23kV/m. El segundo dispositivo se ha fabricado mediante bonding directo de un sustrato de LiNbO3 encima de una guía PE diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El dispositivo se ha caracterizado a baja frecuencia y ha sido posible medir campos eléctricos de hasta 2MV/m con un aumento de sensibilidad comparado con el primer dispositivo fabricado sin la técnica del bonding. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden ser utilizados para mediciones de campos eléctricos intensos en condiciones peligrosas sin ningún riesgo para el operador. Después de una breve introducción en el Capítulo 1 de esta Tesis, las propiedades del LiNbO3 se discuten en el Capítulo 2, prestando especial atención a sus características ópticas y electro-ópticas. El Capítulo 3 presenta las técnicas de micro fabricación desarrolladas durante este trabajo sobre sustratos de 3 pulgadas. En particular, se presentan las técnicas de fabricación de guías mediante intercambio protónico, de inversión de dominios mediante poling de alto voltaje, de bonding de LiNbO3 con diferentes sustratos (LiNbO3 , SiO2, Si) y la fabricación de capas delgadas. El Capítulo 4 ofrece una introducción sobre los moduladores interferométricos Mach-Zehnder de onda propagada, presentando sus principales características. Además se presenta una nueva estructura de modulador basada sobre inversión de dominios y los resultados obtenidos. El Capítulo 5 empieza con una introducción sobre los sensores de campo eléctrico y después se presentan dos nuevos sensores de campo eléctrico completamente ópticos fabricados en LiNbO3 z-cut. Los dispositivos están basados en las técnicas de intercambio protónico, inversión de dominios y bonding directo. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y posibles desarrollos futuros que pueden contribuir al aumento del impacto de este trabajo en las industrias de comunicaciones ópticas y de detección.

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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.

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.

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.