The increasing need for range-resolved aerosol and water-vapour atmospheric observation networks worldwide has given rise to multi-spectral LIDARs (Light Detection and Ranging, a synonym of laser radar) as advanced remote sensing sensors. This Ph.D. presents the design, integration and analysis of the new 6-channel multispectral elastic/Raman LIDAR for aerosol and water-vapour content monitoring developed at the Remote Sensing Lab. (RSLAB) of the Universitat Polit ecnica de Catalunya (UPC). It is well known that the combination of at least three elastic and two Raman nitrogen channels are su cient to enable retrieval of the optical and microphysical properties of aerosols with a key impact on climate change variables. The UPC lidar is part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) -GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network), a ground-based continental network including more than 28 stations. Currently, only 8 of the 28 EARLINET stations are of such advanced type. This Ph.D. speci cally focuses on: (1) Concept link-budget instrument design and overlap factor assessment. The former includes opto-atmospheric parameter modelling and assessment of backscattered power and SNR levels, and maximum system range for the di erent reception channels (3 elastic, and 2 aerosol and 1 water-vapour Raman channels, ultraviolet to near-infrared bands). The latter studies the laser-telescope crossover function (or overlap function) by means of a novel raytracing Gaussian model. The problem of overlap function computation and its near-range sensitivity for medium size aperture (f=10, f=11) bi-axial tropospheric lidar systems using both detector and ber-optics coupling alternatives at the telescope focal-plane is analysed using this new ray-tracing approach, which provides a much simpler solution than analyticalbased methods. Sensitivity to laser divergence, eld-lens and detector/ ber positions, and ber's numerical aperture is considered. (2) Design and opto-mechanical implementation of the 6-channel polychromator (i.e., the spectrally selective unit in reception). Design trade-o s concerning light collimation, end-to-end transmissivity, net channel responsivity, and homogeneous spatial light distribution onto the detectors' active area discussed. (3) System integration and validation. This third part is two fold: On one hand, fi rst-order backscatter-coe cient error bounds (a level-1 data product) for the two-component elastic lidar inversion algorithm are estimated for both random (observation noise) and systematic error sources (user's uncertainty in the backscatter-coe cient calibration, and user's uncertainty in the aerosol extinction-to-backscatter lidar ratio). On the other hand, the multispectral lidar so far integrated is described at both hardware and control software level. Statistical validation results for the new UPC lidar (today in routine operation) in the framework of SPALI-2010 intercomparison campaign are presented as part of EARLINET quality assurance / optimisation of instruments' program. The methodology developed in the rst part of this Ph.D. has successfully been applied to the speci cation case study of the IFAE/UAB lidar system, which will be installed and operated at the Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory. Finally, specs for automated unmanned unattended lidar operation with service times close to 365/24 are presented at the end of this Ph.D. in response to the increasing demand for larger observation times and availability periods of lidar stations.

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.

The foundation and guarantee of a good heritage protection is the appropriate knowledge of it, this understanding is developed from studies conducted by different specialists, using the architectural surveys as a basis for their work and as a platform for communication between disciplines. These surveys are conducted at different levels, covering different issues, such as studying the consolidation of paintings or analysis of the structures, all in the same heritage building. This generates duplication in registration activities, as a first step in the exploration of the patrimonial goods, in most cases with difficult information to superimpose or link, which makes it difficult to cross-reading this knowledge, with records or documentation do not follow standards that allow integration, or adequate information management between surveys. Therefore the importance of developing methodologies to unify criteria between disciplines and facilitate the approximation of the different views about the heritage from a common base information, not only as an ethical obligation for those involved in conservation processes, but as tools that produce immediate benefits in management, project planning, control of current status, interdisciplinary communication and evaluation of results. To this end we work with technology Terrestrial Laser Scanner (TLS), which allows complex surveys , different leveIs of approximation, in short periods of time without compromising accuracy. The central aim of the thesis is to identify the potential of databases TLS as 20 and 2.50 images, maintaining the relationship with the initial information. Is proposed that the creation and exploitation of TLS data bases in two dimensions , can increase knowledge of heritage buildings, used for the analysis, selection classification and recognition of 3D point clouds and 3D data conversion to 2D (2.50) using image processing and synthesis process in search of a useful tool for the different disciplines that use this information starting representation. We use the concept of architectural survey (understood as analysis, selection and synthesis of real event) as framework for the development of the methodologies proposed. Considering the analysis of the asset from data collection, to the objective classification of the component parts and their relationship. After this process is selected and restructures the information, plans and elevations, to pass data from 3D to 2D (2 .5D), always maintaining the relationship with 3D starting point, achieving a synthesis that allows different levels approach to process coregistered images . In this process it was necessary to integrate techniques of paralllel lines to the TLS, formats like LIDAR aerial surveys, classification techniques of natural surfaces and reverse engineering, image processing techniques and architectural surveys SFM (Structural From Motion, processes scanned photo), therefore their developments in point cloud management and data processing 2D and 2.5D. These processes have been applied to specific case studies, highlighting mainly the geometrical characteristics of the surfaces in relation to the materials , the types of gradient, the consolidation of materials, the analysis of movements or deformations of facades , and archaeological stratification processes, among others. Parallel to the case studies, interviews validated the results, from the perspective of different disciplines were developed / Podemos afirmar que la base y la garantía de una buena protección del patrimonio es el conocimiento adecuado del mismo. Este se desarrolla a partir de estudios realizados por diferentes especialistas, que utilizan como base para su trabajo y como medio de comunicación los levantamientos arquitectónicos. Estos levantamientos se realizan a diferentes escalas, abarcando problemas diferenciados, como por ejemplo el estudio de la consolidación de pinturas o el análisis de las estructuras, en un mismo edificio patrimonial. Esto conlleva a duplicar las actividades de registro, como primera etapa en la exploración de los bienes patrimoniales, en la mayoría de los casos con informaciones difíciles de superponer o relacionar, lo cual hace más difícil una lectura transversal de este conocimiento, con registros o documentaciones que no siguen estándares que permitan su integración, ni una adecuada gestión de la información. Por ello de la importancia de desarrollar metodologías que permitan unificar criterios entre disciplinas y faciliten la aproximación de las diferentes visiones sobre el patrimonio en un mismo material de partida, no solo como una obligación ética para los implicados en los procesos de conservación, sino como herramientas con beneficios inmediatos en la gestión, en la planificación de los proyectos, el control del estado actual, la comunicación interdisciplinar y la evaluación de los resultados. Para ello partimos de la tecnología de Escáner Láser Terrestre TLS, que permite levantamientos complejos, a diferentes niveles de aproximación, en breves periodos de tiempo, sin comprometer la precisión. Centrando el objetivo de la tesis en identificar el potencial de las bases de datos TLS como imágenes 2D y 2.5D, manteniendo la relación con la información de partida. Se plantea que la creación y explotación de bases de datos TLS en 2D, permite profundizar el conocimiento de los edificios patrimoniales, utilizando para el análisis y selección técnicas de clasificación 3D y conversión de datos de 3D a 2D (2.5D), utilizando el procesamiento de imágenes como proceso de síntesis, en busca de una representación útil, para las diferentes disciplinas que utilicen esta información de partida. Como estructura que encadena este proceso partimos del concepto de levantamiento arquitectónico (entendido como análisis, selección y síntesis del hecho real), para el desarrollo de las metodologías planteadas. Considerando el análisis del elemento patrimonial desde la toma de datos, hasta la clasificación objetiva de los elementos que lo componen y su relación. Posteriormente se selecciona y reestructura la información en plantas y alzados, al pasar los datos de 3D a 2D (2.5D), manteniendo en todo momento la relación con la base 3D de partida, logrando una síntesis que permite diferentes niveles de aproximación, al procesar las imágenes corregistradas, en las cuales se logra una representación patrimonial coherente. En este proceso fue necesario integrar técnicas de líneas paralelas a la TLS, como los formatos de levantamientos LIDAR aéreos, técnicas de clasificación de superficies naturales y de ingeniería inversa, técnicas de procesamiento de imágenes y de levantamientos SFM (Structural From Motion, procesos de foto escaneado), tanto por sus desarrollos en gestión de nubes de puntos o el tratamiento de datos en 2D y 2.5D. Estos procesos se aplican a casos de estudio concretos, que resaltan sobre todo las características geométricas de las superficies, en relación a los revestimientos de los materiales, las tipologías de degradado, la consolidación de los materiales, el análisis de movimientos o deformaciones de las fachadas, los procesos de estratificación arqueológica, entre otros. Paralelo a los casos de estudio, se desarrollaron entrevistas que validaron los resultados obtenidos, desde la perspectiva de diferentes disciplinas.

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).

This dissertation revolves around the idea of linear interference alignment (IA) for a network consisting of several mutually interfering transmitter-receiver pairs, which is commonly known as interference channel. In particular, we consider the case where nodes are equipped with multiple antennas and exploit the spatial dimension to perform interference alignment. This work explores the problem of linear spatial domain interference alignment in three different facets. Our first contribution is to analyze the conditions, i.e., number of antennas, users and streams, under which IA is feasible. For this task, we distinguish between systems in which each user transmits a single stream of information (single-beam systems) and those in which multiple streams per user are transmitted (multi-beam systems). For single-beam systems, we show that the problem admits a closed-form solution with a time-complexity that is linear in the number of users. For multi-beam systems, we propose a numerical feasibility test that completely settles the question of IA feasibility for arbitrary networks and is shown to belong to the bounded-error probabilistic polynomial time (BPP) complexity class. The second contribution consists in generalizing the aforementioned feasibility results to characterize the number of existing IA solutions. We show that different IA solutions can exhibit dramatically different performances and, consequently, the number of solutions turns out to be an important metric to evaluate the ability of a system to improve its performance in terms of sum-rate or robustness while maintaining perfect IA. Finally, our contributions conclude with the design of two algorithms for the computation of IA solutions. / Esta tesis gira en torno a la idea de alineado de interferencias (interference alignment, IA) lineal en redes donde varios pares transmisor-receptor se comunican simultáneamente; escenario conocido como canal de interferencia. En particular, se considera el caso en el que cada nodo (ya sea transmisor o receptor) está equipado con varias antenas y hace uso de la dimensión espacial para llevar a cabo el citado alineado de interferencias. En esta tesis se explora el problema del alineado de interferencias en el dominio espacial desde tres puntos de vista diferentes. En primer lugar, se analizan las condiciones (número de antenas, usuarios y flujos de información) bajo las cuales el alineado de interferencias es posible. Para esta tarea, se distingue entre sistemas en los que cada usuario envía uno o múltiples flujos de información. En el primer caso, se demuestra que el problema admite una solución cerrada que puede ser evaluada con complejidad lineal en el número de usuarios. En el segundo caso, se propone un test numérico que da una respuesta concluyente al problema y muestra que el problema pertenece a la clase de complejidad BPP. En segundo lugar, los resultados anteriores son generalizados para calcular el número de soluciones existentes. En ocasiones, no sólo interesa determinar si el problema de alineado de interferencias tiene solución o no, sino que es interesante conocer cuántas soluciones existen. En esta tesis se muestra que diferentes soluciones pueden exhibir resultados dramáticamente diferentes. Por consiguiente, el número de soluciones actúa como una métrica de diversidad que refleja la capacidad de una red para mejorar su rendimiento en términos de tasa suma, robustez o cualquier otra métrica. Por último, se proponen dos algoritmos para la obtención de soluciones de alineado de interferencias.

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.

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.

Historia, Sociedad, Tecnología y Crecimiento de la Red. Una aproximación divulgativa a la realidad más desconocida de InternetEl contenido de esta tesis abarca el estudio pormenorizado de los hechos que llevaron al diseño y posterior desarrollo de la tecnología que soporta Internet.En ella se realiza a través de una recopilación exhaustiva de documentos (en muchos casos inéditos)1, una descripción histórica de los principales hitos de Internet. Y un análisis comparativo de las distintas tecnologías de acceso, estableciendo factores de idoneidad tanto tecnológica como comercial de cada una de ellas.La metodología que se ha desarrollado en todo el trabajo es la de contraste y verificación de los hechos expuestos mediante preguntas cruzadas a los autores.Fundamentalmente se divide en estas cuatro partes temáticas:- La Pre-Historia 1964-1994: descripción de toda la época de la que apenas existe información escrita2. Y la historia vivida en España:1984-1994 Primeros servicios de información on-line y redes precedentes a Internet1995-2002 Relación del desarrollo de la red desde sus inicios hasta el estado actual- Tecnología y Tendencias de Futuro. En donde se elabora un interesante análisis comparativo de las distintas tecnologías de acceso a la red. Posicionando los servicios y las tecnologías más atractivas.- La Historia Oculta de Internet a Través de sus Personajes. En la que se sintetiza la importante parte práctica del trabajo de campo en la realización de 64 entrevistas personalizadas, a los personajes3 que más han influido en el desarrollo de la Red y del sector de Internet.- Y el Régimen Legal de Internet. Compendio de legislación monográfica que expone el impacto del regulador en nuestro país. Desde la Liberalización de las telecomunicaciones, a nuevas redes de acceso, accesos gratuitos, tarifas planas y modelos de interconexión por capacidad.ANEXOS:LA HEMEROTECA: Parte de la redacción final se ha basado en el paciente análisis de la hemeroteca monográfica de noticias de la red, construida desde 1994. Se presenta en formato digital (BBDD documental con más de 2000 documentos indexados).LA CRONOLOGÍA: Además se incluye la relación de efemérides históricas de la red. Relacionando los principales hitos con todas sus fechas y personajes que han intervenido.EL MERCADO DE INTERNET: Un análisis exhaustivo de la evolución del mercado de los proveedores de Internet en España. Evolución histórica del precio de 600 proveedores españoles (1994 - 2001) y de su paulatina desaparición.HISTORIA GRÁFICA: Evolución de los programas y herramientas de navegación de Internet, de las páginas web así como de los kits de conexión de los distintos proveedores.LA TERMINOLOGÍA: Recolección en formato de diccionario, de los principales términos técnicos, de las empresas destacadas, de los personajes y fechas clave. En un lenguaje divulgativo se definen más de 2.500 conceptos.1 )Gracias a las entrevistas realizadas a los personajes que intervinieron en el desarrollo inicial de internet. 2 )Y la que está disponible está en inglés. 3) Tanto locales como internacionales.Història, Societat, Tecnologia y Creixement de la Xarxa. Una aproximació divulgativa a la realitat més desconeguda d'InternetEl contingut d'aquesta tesi, inclou l'estudi pormenoritzat dels fets que portaren al disseny i posterior desenvolupament de la tecnologia que suporta internet.En ella s'hi realitza mitjançant una recopilació exhaustiva de documents (en molts casos inèdits)4, una descripció històrica de les principals fites d'internet. Així com un anàlisi comparatiu de les diferents tecnologies d'accés, establint factors d'idoneïtat tant tecnològica com comercial de cadascuna d'elles.La metodologia que s'ha desenvolupat y emprat al llarg de tot el treball és la de contrast i verificació dels fets exposats mitjançant preguntes creuades als diferents autors.Fonamentalment es divideix en quatre parts temàtiques:- La Pre-Història 1964-1994: descripció de tota l'època de la que gairebé no existeix informació escrita5. I la història viscuda a Espanya:1984-1994 Primers serveis d'informació on-line i xarxes precedents a internet1995-2002 Relat del desenvolupament de la xarxa des dels inicis fins l'estat actual- Tecnologia i Tendències de Futur. On s'elabora un interessant anàlisi comparatiu de les diferents tecnologies d'accés a la xarxa. Posicionant els serveis i les tecnologies més atractives.- La Historia Amagada d'Internet a Través dels seus Personatges. En la que es sintetitza la important part pràctica del treball de camp en la realització de 64 entrevistes personalitzades, als personatges6 que més han influït en el desenvolupament de la Xarxa i del sector d'internet.- I el Regim Legal d'Internet. Compendi de legislació monogràfica que exposa l'impacte del regulador en el nostre país. Des de la Liberalització de les telecomunicacions, passant per noves xarxes d'accés, accessos gratuïts i tarifes planes, fins als models d'interconnexió per capacitat.ANNEXS:L'HEMEROTECA: Part de la redacció final s'ha basat en el pacient anàlisi de l'hemeroteca monogràfica de notícies de la xarxa, construïda des de 1994. Es presenta en format digital (BBDD documental amb més de 2.000 documents indexats).LA CRONOLOGIA: A més s'hi inclou la relació d'efemèrides històriques de la xarxa. Relacionant les principals fites amb totes les seves dates i personatges que hi han intervingut.EL MERCAT D'INTERNET: Anàlisi exhaustiu de l'evolució del mercat dels proveïdors d'Internet a Espanya. Evolució històrica del preu de 600 proveïdors de l'estat espanyol (1994 - 2001) i de la seva paulatina desaparició.HISTÒRIA GRÀFICA: Evolució dels programes i eines de navegació d'internet, de les pàgines web així com dels kits de connexió dels diferents proveïdors.LA TERMINOLOGIA: Recol·lecció en format de diccionari, dels principals termes tècnics, de les empreses destacades, dels personatges i dates clau. En un llenguatge divulgatiu es defineixen més de 2.500 conceptes. 4) Gràcies a les entrevistes realitzades als personatges que intervingueren en el desenvolupament inicial d'Internet. 5 )I la que està disponible està en anglès. 6) Tant locals com internacionals.History, Society, Technology and Network Development. An exposé of the most unknown face of the InternetThe content of this doctoral thesis consists of a detailed study of the facts associated with the design and later development of the technologies that support the Internet.It has been prepared by collecting, compiling, and summarizing a fairly exhaustive set of materials - many of which have never been published. The document seeks to provide a broad and detailed description of (1) the major milestones in the development of the Internet and (2) a comparative analysis of the different technologies used to provide Internet access. In this last, the thesis evaluates the different technologies along the dimensions of technological and commercial suitability.In all cases, the validity of the material used and the associated "facts" have been verified by conducting multiple interviews with their authors and cross-referencing them for internal and external consistency.Specifically, the document consists of four broad themes:- Internet Prehistory (1964-1994): A description of the events affecting the Internet over this period. Much of the associated material has never been published in Spanish. This section also includes a description of the events associated with the evolution of online services in Spain, which has been split into two sections:1984-1994 Pioneering online information services and Pre-Internet Networks.1995-2002 Spanish development of the Internet from its inception until its present state- Technological Trends: A comparative analysis of the different technologies - past, present, and future - used to access the Internet.- Untold Stories of the Internet: A description of the evolution of the Internet extracted from the content of interviews, conducted by the thesis author, of the 64 individuals (domestic and international) who most influenced the development of the early Internet and Spanish pioneers. - Legal Régime of Internet: A compendium of Spanish law that deals with the regulation of the Internet and associated technologies including laws related to the liberalization of the telecommunications markets and to the management of / pricing for Internet access networks - free access, flat rates and capacity interconnection models.APPENDICES:PERIODICAL ARCHIVE: A digital compilation of a many articles related to the Internet since 1994 (Note: Over 2000 articles have been placed within a database with appropriate indices).INTERNET DEVELOPMENT TIMELINE: A database of key Internet development milestones that includes a description of the event, the date, and the people involved.MARKET ANALYSIS: An exhaustive analysis of the development of the Spanish ISP Market including the pricing evolution of over 600 Spanish Internet Service Providers (1994 - 2001) and their gradual disappearance - consolidation.GRAPHICAL HISTORY: Compendium of images detailing the evolution of browsers, web-page design tools, and connection wizards of different ISPsDICTIONARY OF INTERNET TERMS An over 2.500 entry dictionary detailing (in a divulging language), the main technical terms, industry-leasing companies, visionaries, and key dates & milestones.

In Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) the lifetime of battery operated visual nodes is limited by their energy consumption, which is proportional to the energy required for sensing, processing, and transmitting the data. The energy consumed in multimedia sensor nodes is much more than in the scalar sensors; a multimedia sensor captures images or acoustic signals containing a huge amount of data while in the scalar sensors a scalar value is measured (e.g., temperature). On the other hand, given the large amount of data generated by the visual nodes, both processing and transmitting image data are quite costly in terms of energy in comparison with other types of sensor networks. Accordingly, energy efficiency and prolongation of the network lifetime has become a key challenge in design and implementation of WMSNs. Clustering in sensor networks provides energy conservation, network scalability, topology stability, reducing overhead and also allows data aggregation and cooperation in data sensing and processing. Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) are characterized for directional sensing, the Field of View (FoV), in contrast to scalar sensors in which the sensing area usually is uniform and non-directional. Therefore, clustering and the other coverage-based techniques designed for WSNs, do not satisfy WMSNs. In WMSNs, sensor management policies are needed to assure balance between the opposite requirements imposed by the wireless networking and vision processing tasks. While reducing energy consumption by limiting data transmissions is the primary challenge of energy-constrained visual sensor networks, the quality of the image data and application, QoS, improve as the network provides more data. In such an environment, the optimization methods for sensor management developed for wireless sensor networks are hard to apply to multimedia sensor networks. Such sensor management policies usually employ the clustering methods which form clusters based on sensor neighbourhood or radiocoverage. But, as it was mentioned, because of the main difference between directional sensing region of multimedia sensors and the sensing range of scalar sensors, these schemes designed for WSNs, do not have efficiency for WMSNs. Moreover, sensor management strategies of WSNs do not consider the eventdriven nature of multimedia sensor networks, nor do they consider the unpredictability of data traffic caused by a monitoring procedure. This thesis, first, present a novel clustering mechanism based on the overlapping of the FoV of multimedia nodes. The proposed clustering method establishes clusters with grouping nodes that their FoVs overlap at least in a minimum threshold area. Two styles of cluster membership are offered by the mechanism depending on the desired network application; Single Cluster Membership (SCM) and Multi Cluster Membership (MCM). The name of MCM comes from the fact that a node may belong to multiple clusters, if its FoV intersects more than one cluster-head (CH) and satisfies the threshold area while in SCM each node belongs to exactly one cluster. Then, the proposed node management schemes designed for WMSNs are presented; the node selection and scheduling schemes manage the acts of the multimedia sensor nodes in a collaborative manner in clusters with employing the mentioned clustering method. Intra-Cluster Cooperation (ICC) and Intra&Inter-Cluster Cooperation (IICC) use the SCM and MCM clusters respectively. The monitoring period is optimized and the sensing region is divided among clusters and multimedia tasks are performed applying cooperation within and between clusters. The objective is conserving the residual energy of nodes to prolong the network lifetime. Finally, a hybrid architecture for WMSNs in order to energy efficient collaborative surveillance is proposed. The proposed mechanism employs a mixed random deployment of acoustic and visual sensor nodes. Acoustic sensors detect and localize the occurred event/object(s) in a duty-cycled manner by sampling the received signals and then trigger the visual sensor nodes covering the objects to monitor them. Hence, visual sensors are warily scheduled to be awakened just for monitoring the object(s) detected in their domain, otherwise they save their energy. Section B. 4 of Chapter I introduces the contributions of this thesis.

The detection of light is of central importance in both fundamental science and applied technology. Photodetectors, which aim at transducing optical stimulus into measurable electrical signals, are ubiquitous to modern society, and widespread from homeelectronics to more sophisticated applications. Harnessing solar light-energy has the potential to replace current environmentally unfriendly fossil fuels, which is of paramount importance for a sustainable development. Fostered by the strong interaction of light with metal nanostructures, Plasmonics have seen tremendous advances during the last decades. Unique phenomena such as intense electric field enhancement and localization, plus tunable and high absorption across the visible-infrared region of the spectrum are specially attractive for optoelectronic applications. In that framework, plasmonics have been introduced to improve the performance of photodetectors and solar cells by modulating the absorption in the active semiconductor. Another approach consists instead in harnessing the energetic, hot electrons, that arise after plasmon excitation in the metal. Within this scheme, unlike in semiconductors, light can be absorbed in the tens of nanometer scale and the optoelectronic spectral response tailored by metal-nanostructuring. Plasmonic hot-electron optoelectronics has seen a very vivid research during the last years. Early progress focused in the eld of photocatalysis, where metal nanoparticles where used to extend to the visible the spectral response of high-bandgap semiconductors. Prior to this thesis, no solid-state plasmonic solar cells had been reported. Further sensitization into the infrared was achieved by employing arrays of metallic nano-antennas in a metal-semiconductor Schottky architecture. The fabrication of these devices relied however on small-area and low-throughput lithographies, which complicates the deployment of this technology for photovoltaic and photocatalytic applications. Moreover, their performance remains yet on the low side. The aim of this thesis is to further contribute to the development of this novel class of devices, with emphasis in photovoltaic and photodetection applications. We start by identifying the crucial role of the interface on the photovoltaic performance, where we find that surface states hinder energy collection. We show that, by introducing an ultrathin insulating barrier, these defects can be passivated allowing for solar energy harnessing. This comes however at the cost of reduced hot-electron injection. The first part of this thesis is focused on the interface optimization by both inorganic (chapter 3) and organic (chapter 4) approaches. Inorganic passivation schemes allow for high open-circuit voltages and fill-factors, but the mediocre short-circuit current limits device performance. Organic passivation is achieved by the use of self-assembled monolayers (SAMs). By controlling molecule's shape and functionalization both open-circuit voltage and short-circuit current can be tailored, enabling for higher performances and quantum efficiencies that go up to 5%. In chapter 5 we present a plasmonic crystal architecture to tailor the spectral response of hot-electron plasmonic photodetectors across the visible-near infrared. We identify and exploit the interplay between the different localized and lattice modes in the structure, with responsivities up to 70 mA/W. Notably, this architecture is fabricated by soft-nanoimprint lithography, a low-cost and high-throughput technique, compatible with large-scale manufacturing processes such as roll-to-roll. We conclude by analyzing the upper bounds in the performance of plasmonic hot-carrier optoelectronic devices based on a metal-insulator-semiconductor architecture and presenting future challenges in the field (chapter 6) / La detección de la luz es de vital importancia, tanto para la ciencia fundamental, como para la tecnología aplicada. Los fotodetectores, cuyo fin es transducir estímulos ópticos en señales eléctricas, son ubicuos en la sociedad moderna, estando presentes en un amplio abanico de dispositivos desde electrónica para el hogar, hasta las aplicacions más sofisticadas. El aprovechamiento de la energía de la luz solar tiene el potencial de reemplazar las actuales fuentes de combustibles fósiles dañinas para el medio ambiente, lo cuál es de importancia primordial en aras de un desarollo sostenible. Empujada por la fuerte interacción de la luz con nanoestructuras metálicas, el campo de la plasmónica ha visto tremendos avances a lo largo de las últimas décadas. Fenómenos únicos, tales como el extraodinario aumento en la intensidad y la localización del campo eléctrico, en conjunción con una elevada absorción ajustable a lo largo de el espectro visible e infrarrojo, son especialmente atractivos para aplicaciones optoelectrónicas. En ese contexto, la plasmónica se ha usado con vistas a aumentar el rendimiento de una variedad de dispostivitos optoelectrónicos basándose en el incremento de la absorción en el semiconductor activo. Otra estrategia consiste en el aprovechamiento de los electrones energéticos que aparecen en el metal tras la excitación de un plasmón (comúnmente llamados electrones calientes). Bajo este enfoque, y en contraste con el caso de los materiales semiconductores, la luz puede ser absorbida en la escala nanométrica y la respuesta espectral ajustada según un nanoestrucutrado adecuado. El objetivo de esta tesis es profundizar en la contribución a esta nueva clase dispositivos optoelectrónicos, con énfasis en fotovoláica y fotodetección. Comenzamos por la identificación de la vital importancia de la interfaz en la eficiencia fotovoláica, donde encontramos que estados superficiales entorpecen la recolección de energía. Mostramos que, al introducir una capa aislante ultrafina, estos defectos pueden pasivarse permitiendo el aprovechamiento de la energía solar. Ello viene acompañado sin embargo, de una reducción en la inyección de electrones calientes. La primera parte de esta tesis se centra en la optimización de esta interfaz con estrategias inorgánicas (capítulo 3) u orgánicas (capítulo 4). La pasivación inorgánica permite alcanzar una alta tensión en circuito abierto y factor de llenado, pero la moderada corriente de cortocircuito limita la eficiencia de los dispositivos. La pasivación orgánica se lleva a cabo mediante el uso de monocapas moleculares autoensambladas. Al controlar la forma o la funcionalización de estas moléculas, tanto la tensión en circuito abierto como la corriente en cortocircuito pueden ser ajustadas permitiendo mayores rendimentos y eficiencias cuánticas de hasta del 5%. En el capítulo 5 presentamos una estructura basada en cristáles plasmónicos para ajustar la respuesta espectral de fotodetectores de electrones plasmónicos calientes, a lo largo del visible e infrarrojo cercano. En el mismo, identificamos y explotamos la interacción entre los diferentes modos de la estructura (localizados y de malla), con responsividades que van hasta los 70 mA/W, basándonos en litografía de impresón blanda compatible con procesos de fabricación industriales. Concluimos en el capítulo 6 presentando rutas hacia dispositivos activos plasmónicos más eficientes. Mostramos que, además de proveer de la pasivación de estados en la interfaz, la arquitectura metal-aislante-semiconductor ofrece grados de libertad adicionales tanto en el diseño de celdas solares como fotodetectores. La presencia de la capa aislante sirve para reducir sustancialmente la corriente de oscuridad, factor perjudicial tanto para la tensión en circuito abierto como para la sensitividad de los fotodetectores. Nuestros calculos predicen eficiencias en la conversión de energía solar de hasta 9% y detectividades específicas en el rango de 1E13 Jones.