This thesis is devoted to present some novel techniques in Structural Health Monitoring (SHM). SHM is a developing field that tries to monitor structures to make sure that they remain in their desired condition to avoid any catastrophe. SHM includes different levels from damage detection area to prognosis field. This work is dedicated to the first level, which might be considered the main and most important level. New techniques presented in this work are based on different statistical and signal processing methods such as Principal Component Analysis and its robust counterpart, Wavelet Transform, Fuzzy similarity, Andrew plots, etc. These techniques are applied on the propagated waves that are activated and captured in the structure using appropriate transducers. Piezoceramic (PZT) devices are chosen in this work to capture the signals due to their special characteristics such as high performance, low energy consumption and reasonable price. To guarantee the efficiency of the suggested techniques, they are tested on different laboratory and real scale test benchmarks, such as aluminum and composite plates, fuselage, wing skeleton, tube, etc. Because of the variety of tested benchmarks, this thesis is called damage detection in smart structures. This variety may promise the ability and capability of the proposed methods on different fields such as aerospace and gas/oil industry. In addition to the normal laboratory conditions, it is shown in this work that environmental changes can affect the performance of the damage detection and wave propagation significantly. As such, there is a vital need to consider their effect. In this work, temperature change is chosen as it is one of the main environmental fluctuation factors. To scrutinize its effect on damage detection, first, the effect of temperature is considered on wave propagation and then all the proposed methods are tested to check whether they are sensitive to temperature change or not. Finally, a temperature compensation method is applied to ensure that the proposed methods are stable and robust even when structures are subjected to variant environmental conditions. / La presente tesis doctoral se dedica a la exploración y presentación de técnicas novedosas para la Monitorización y detección de defectos en estructuras (Structural Health Monitoring -SHM-) SHM es un campo actualmente en desarrollo que pretende asegurarse que las estructuras permanecen en su condición deseada para evitar cualquier catástrofe. En SHM se presentan diferentes niveles de diagnóstico, Este trabajo se concentra en el primer nivel, que se considera el más importante, la detección de los defectos. Las nuevas técnicas presentadas en esta tesis se basan en diferentes métodos estadísticos y de procesamiento de señales tales como el Análisis de Componentes Princpales (PCA) y sus variaciones robustas, Transformada wavelets, lógica difusa, gráficas de Andrew, etc. Estas técnicas de aplican sobre las ondas de vibración que se generan y se miden en la estructura utilizando trasductores apropiados. Dispositivos piezocerámicos (PZT's) se han escogido para este trabajo ya que presentan características especiales tales como: alto rendimiento, bajo consumo de energia y bajo costo. Para garantizar la eficacia de la metodología propuesta,se ha validado en diferentes laboratorios y estructuras a escala real: placas de aluminio y de material compuesto, fuselage de un avión, revestimiento del ala de un avóin, tubería, etc. Debido a la gran variedad de estructuras utilizadas, su aplicación en la industria aeroespacial y/o petrolera es prometedora. Por otra parte, los cambios ambientales pueden afectar al rendimiento de la detección de daños y propagación de la onda significativamente . En este trabajo , se estudia el efecto de las variaciones de temperatura ya que es uno de los principales factores de fluctuación del medio ambiente . Para examinar su efecto en la detección de daños, en primer lugar, todos los métodos propuestos se prueban para comprobar si son sensibles a los cambios de temperatura o no. Finalmente , se aplica un método de compensación de temperatura para garantizar que los métodos propuestos son estables y robustos incluso cuando las estructuras se someten a condiciones ambientales variantes

A traceability or fingerprinting scheme is a cryptographic scheme that facilitates the identification of the source of leaked information. In a fingerprinting setting, a distributor delivers copies of a given content to a set of authorized users. If there are dishonest members (traitors) among them, the distributor can deter plain redistribution of the content by delivering a personalized, i.e., marked, copy to each user. The set of all user marks is known as a fingerprinting code. There is, however, another threat. If several traitors collude to create a copy that is a combination of theirs, then the pirated copy generated will contain a corrupted mark, which may obstruct the identification of traitors. This dissertation is about the study and analysis of codes for their use in traceability and fingerprinting schemes, under the presence of collusion attacks. Moreover, another of the main concerns in the present work will be the design of identification algorithms that run efficiently, i.e., in polynomial time in the code length. In Chapters 1 and 2, we introduce the topic and the notation used. We also discuss some properties that characterize fingerprinting codes known under the names of separating, traceability (TA), and identifiable parent property (IPP), which will be subject of research in the present work. Chapter 3 is devoted to the study of the Kötter-Vardy algorithm to solve a variety of problems that appear in fingerprinting schemes. The concern of the chapter is restricted to schemes based on Reed-Solomon codes. By using the Kötter-Vardy algorithm as the core part of the identification processes, three different settings are approached: identification in TA codes, identification in IPP codes and identification in binary concatenated fingerprinting codes. It is also discussed how by a careful setting of a reliability matrix, i.e., the channel information, all possibly identifiable traitors can be found. In Chapter 4, we introduce a relaxed version of separating codes. Relaxing the separating property lead us to two different notions, namely, almost separating and almost secure frameproof codes. From one of the main results it is seen that the lower bounds on the asymptotical rate for almost separating and almost secure frameproof codes are greater than the currently known lower bounds for ordinary separating codes. Moreover, we also discuss how these new relaxed versions of separating codes can be used to show the existence of families of fingerprinting codes of small error, equipped with polynomial-time identification algorithms. In Chapter 5, we present explicit constructions of almost secure frameproof codes based on weakly biased arrays. We show how such arrays provide us with a natural framework to construct these codes. Putting the results obtained in this chapter together with the results from Chapter 4, shows that there exist explicit constructions of fingerprinting codes based on almost secure frameproof codes with positive rate, small error and polynomial-time identification complexity. We remark that showing the existence of such explicit constructions was one of the main objectives of the present work. Finally, in Chapter 6, we study the relationship between the separating and traceability properties of Reed-Solomon codes. It is a well-known result that a TA code is an IPP code, and that an IPP code is a separating code. The converse of these implications is in general false. However, it has been conjectured for some time that for Reed-Solomon codes all three properties are equivalent. Giving an answer to this conjecture has importance in the field of fingerprinting, because a proper characterization of these properties is directly related to an upper bound on the code rate i.e., the maximum users that a fingerprinting scheme can allocate. In this chapter we investigate the equivalence between these properties, and provide a positive answer for a large number of families of Reed-Solomon codes. / Un sistema de trazabilidad o de fingerprinting es un mecanismo criptogr afi co que permite identi car el origen de informaci on que ha sido fi ltrada. En el modelo de aplicación de estos sistemas, un distribuidor entrega copias de un determinado contenido a un conjunto de usuarios autorizados. Si existen miembros deshonestos (traidores) entre ellos, el distribuidor puede disuadir que realicen una redistribuci on ingenua del contenido entregando copias personalizadas, es decir, marcadas, a cada uno de los usuarios. El conjunto de todas las marcas de usuario se conoce como c ódigo de fingerprinting. No obstante, existe otra amenaza m as grave. Si diversos traidores confabulan para crear una copia que es una combinación de sus copias del contenido, entonces la copia pirata generada contendr a una marca corrompida que di ficultar a el proceso de identificaci on de traidores. Esta tesis versa sobre el estudio y an alisis de c odigos para su uso en sistemas de trazabilidad o de fi ngerprinting bajo la presencia de ataques de confabulaci on. Otra de las cuestiones importantes que se tratan es el diseño de algoritmos de identi caci on e ficientes, es decir, algoritmos que se ejecuten en tiempo polin omico en la longitud del c odigo. En los Cap tulos 1 y 2 presentamos el tema e introducimos la notaci on que utilizaremos. Tambi en presentaremos algunas propiedades que caracterizan los c odigos de fi ngerprinting, conocidas bajo los nombres de propiedad de separaci on, propiedad identi cadora de padres (IPP) y propiedad de trazabilidad (TA), que est an sujetas a estudio en este trabajo. El Cap tulo 3 est a dedicado al estudio del algoritmo de decodi caci on de lista con informaci on de canal de Kötter-Vardy en la resoluci on de determinados problemas que aparecen en sistemas de fingerprinting. El ambito de estudio del cap ítulo son sistemas basados en c odigos de Reed-Solomon. Empleando el algoritmo de Kötter-Vardy como parte central de los algoritmos de identifi caci on, se analizan tres propuestas en el cap ítulo: identi caci on en c odigos TA, identifi caci on en c odigos IPP e identifi caci on en c odigos de fingerprinting binarios concatenados. Tambi en se analiza c omo mediante un cuidadoso ajuste de una matriz de abilidad, es decir, de la informaci on del canal, se pueden encontrar a todos los traidores que es posible identi car e ficientemente. En el Capí tulo 4 presentamos una versi on relajada de los c odigos separables. Relajando la propiedad de separaci on nos llevar a a obtener dos nociones diferentes: c odigos cuasi separables y c odigos cuasi seguros contra incriminaciones. De los resultados principales se puede observar que las cotas inferiores de las tasas asint oticas para c odigos cuasi separables y cuasi seguros contra incriminaciones son mayores que las cotas inferiores actualmente conocidas para c odigos separables ordinarios. Adem as, tambi en estudiamos como estas nuevas familias de c odigos pueden utilizarse para demostrar la existencia de familias de c odigos de ngerprinting de baja probabilidad de error y dotados de un algoritmo de identi caci on en tiempo polin omico. En el Capí tulo 5 presentamos construcciones expl citas de c odigos cuasi seguros contra incriminaciones, basadas en matrices de bajo sesgo. Mostramos como tales matrices nos proporcionan una herramienta para construir dichos c odigos. Poniendo en com un los resultados de este cap tulo con los del Capí tulo 4, podemos ver que, bas andonos en c odigos cuasi seguros contra incriminaciones, existen construcciones expl ícitas de c odigos de fi ngerprinting de tasa positiva, baja probabilidad de error y con un proceso de identi caci on en tiempo polin omico. Demostrar que existen dichas construcciones expl citas era uno de los principales objetivos de este trabajo. Finalmente, en el Capí tulo 6, estudiamos la relaci on existente entre las propiedades de separaci on y trazabilidad de los c odigos de Reed-Solomon. Es un resultado bien conocido el hecho que un c odigo TA es un c odigo IPP, y que un c odigo IPP es un c odigo separable. Las implicaciones en el sentido opuesto son falsas en general. No obstante, existe una conjetura acerca de la equivalencia de estas tres propiedades en el caso de cóodigos de Reed-Solomon. Obtener una respuesta a esta conjetura es de una importancia relevante en el campo del fi ngerprinting, puesto que la caracterización de estas propiedades est a directamente relacionada con una cota superior en la tasa del c odigo, es decir, con el n umero de usuarios que puede gestionar un sistema de fi ngerprinting. En este cap ítulo investigamos esta equivalencia y proporcionamos una respuesta afirmativa para un gran n umero de familias de c odigos de Reed-Solomon. Los resultados obtenidos parecen sugerir que la conjetura es cierta.

El treball presentat en aquesta tesi doctoral te com objectiu principal la contribució en el camp de la microbiologia per entendre el biofilms i el possible control de desenvolupament mitjançant l’ús de mètodes i enfoc multidisciplinari. Els biofilms estan definits com comunitats de microorganismes que creixen envoltats en una matriu exopolisacárida i s’adhereixen a una superfície inert o teixit viu. La formació dels biofilms bacterians tenen un gran interès en microbiologia clínica degut al desenvolupament d’infeccions que son causades pel contacte directe o per colonització de dispositius mèdics implantats i pròtesis. Actualment es consideren causa de més del 60 % de les infeccions bacterianes. El problema dels biofilms bacterians a nivell clínic es que mostren millor resistència a antibiòtics arribant inclús a ser de 500 a 5000 cops més resistents a agents antimicrobians comparant amb la mateixa bactèria planctònica (bactèria en suspensió). Hi ha hagut moltes temptatives d’adaptar mètodes a laboratoris clínics on es reprodueixen les condicions pel desenvolupament de biofilms, però encara no s’ha arribat a obtenir òptims protocols estàndard per a aquest propòsit de monitoritzar la formació i toxicitat a temps real. Ha crescut l’interès en disseny, desenvolupament i utilització de dispositius de microfluídica que poden emular els fenòmens biològics que ocorren amb diferents geometries, dinàmica de fluids i restriccions de transport de biomassa en microambients fisiològics. La recerca descrita en aquesta tesis s’ha dut a terme amb diferents mètodes “label-free” basats en la variació acústica y/o propietats elèctriques per a la monitorització de biofilms. El treball presentat en la monografia descriu un dispositiu “custom-made” per a la utilització d’Espectroscòpia de impedància electroquímica com a eina útil per a l’obtenció d’informació d’adherència i formació de biofilms. El fet d’afegir nanopartícules com a segon biosensor permet la correlació de biofilm amb la seva toxicitat a temps real per a la detecció del punt òptim de tractament de biofilms. Finalment el disseny d’aquesta tecnologia s’utilitza per l’assaig de la resposta de biofilms a antibiòtics com a model in vitro d’infeccions causades per biofilms. / El trabajo presentado en esta tesis doctoral tiene como principal objetivo la contribución en el campo de la microbiología para entender los biofilms y el posible control de desarrollo mediante el uso de métodos y enfoque multidisciplinar. Los biofilms están definidos como comunidades de microorganismos que crecen embebidos en una matriz exopolisacárida y se adhieren a una superficie inerte o tejido vivo. La formación de los biofilms bacterianos tiene un gran interés en microbiología clínica debido al desarrollo de infecciones que son causadas por contacto directo o por colonización de dispositivos médicos implantados y prótesis. Actualmente se consideran la causa de más del 60 % de las infecciones bacterianas. El problema de los biofilms bacterianos a nivel clínico es que muestran mejor resistencia a antibióticos llegando incluso a ser de 500 a 5000 veces más resistentes a agentes antimicrobianos comparado a la misma bacteria planctónica (bacteria en suspensión). Ha habido muchas tentativas de adaptar métodos a laboratorios clínicos donde se reproducen las condiciones para el desarrollo de biofilms, pero aún no se ha llegado a obtener óptimos protocolos estándar para este propósito de monitorizar la formación y toxicidad en tiempo real. Ha crecido el interés en diseño, desarrollo y utilización de dispositivos de microfluídica que puedan emular los fenómenos biológicos que ocurren con diferentes geometrías, dinámica de fluidos y restricciones de transporte de biomasa en microambientes fisiológicos. La investigación descrita en esta tesis se lleva a cabo con diferentes métodos “label-free” basados en variación acústica y/o propiedades eléctricas para la monitorización de biofilms. El trabajo presentado en esta monografía describe un dispositivo “custom-made” para la utilización de Espectroscopia de impedancia electroquímica como herramienta útil para obtener información de adherencia y formación de biofilms. El hecho de añadir nanopartículas como segundo biosensor permite la correlación de biofilm con su toxicidad en tiempo real para la detección del punto óptimo del tratamiento de biofilms. Finalmente el diseño de esta tecnología es usada para el ensayo de la respuesta de biofilms a antibióticos como modelo in vitro de infecciones causadas por biofilms. / The work presented in this thesis has the main aim to contribute in the field of clinical microbiology to understand the biofilms and the possible of development through the use of methods with multidisciplinary approach. Biofilms are defined as communities of microorganisms that grow embedded in a matrix of exopolysaccharides and adhering to an inert surface or living tissue. The formation of bacterial biofilms has an interest in clinical microbiology with the development of infections that usually arise from either direct contact or the colonization of implanted medical devices and prostheses. Currently they are considered the cause of over 60% of bacterial infections. The problem of bacterial biofilms at clinical level is showing great resistance to antibiotics, so that the biofilm bacteria are 500 to 5000 times more resistant to antimicrobial agents that the same bacteria grown in planktonic cultures (bacteria in suspension). There have been attempts to adapt methods to clinical laboratories where they reproduce the conditions of biofilms, but have not yet adopted an optimal standard protocol for this purpose to follow-up the formation and toxicity in real-time. There has been a growing interest in design, development and utilization of microfluidic devices that can emulate biological phenomena that occur in different geometries, fluid dynamics and mass transport restrictions in physiological microenvironments. The research described in this thesis deals with different label-free methods based on variation of acoustic and electric properties for biofilm monitoring. The work presented in this monograph describe a custom-made device for using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as useful tool to obtain information of adherence and formation of biofilms. The addition of nanoparticles as toxicity biomarker allows the correlation of biofilm formation with its toxicity in real-time for detention of the optimal point for biofilm treatment. Finally the design of this technology is used for testing the biofilm response to antibiotic as in vitro model of biofilm-related infection.

Due to the increasing global IP traffic and the exponential growing demand for broadband services, optical networks are experimenting significant changes. Advanced modulation formats are being implemented at the Digital Signal Processing (DSP) level as key enablers for high data rate transmission. Whereas in the network layer, flexi Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) grids are being investigated in order to efficiently use the optical spectrum according to the traffic demand. Enabling these capabilities makes high data rate transmission more feasible. Hence, introducing flexibility in the system is one of the main goals of this thesis. Furthermore, minimizing the cost and enhancing the Spectral Efficiency (SE) of the system are two crucial issues to consider in the transceiver design. This dissertation investigates the use of Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM) based either on the Fast Fourier Transform (FFT) or the Fast Hartley Transform (FHT) and flexi-grid technology to allow high data rate transmission over the fiber. Different cost-effective solutions for Elastic Optical Networks (EON) are provided. On the one hand, Direct Detection (DD) systems are investigated and proposed to cope with present and future traffic demand. After an introduction to the principles of OFDM and its application in optical systems, the main problems of such modulation is introduced. In particular, Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is presented as a limitation in OFDM systems, as well as clipping and quantization noise. Hence, PAPR reduction techniques are proposed to mitigate these impairments. Additionally, Low Complexity (LC) PAPR reduction techniques based on the FHT have also been presented with a simplified DSP. On the other hand, loading schemes have also been introduced in the analyzed system to combat Chromatic Dispersion (CD) when transmitting over the optical link. Moreover, thanks to Bit Loading (BL) and Power Loading (PL), flexible and software-defined transceivers can be implemented maximizing the spectral efficiency by adapting the data rate to the current demand and the actual network conditions. Specifically, OFDM symbols are created by mapping the different subcarriers with different modulation formats according to the channel profile. Experimental validation of the proposed flexible transceivers is also provided in this dissertation. The benefits of including loading capabilities in the design, such as enabling high data rate and software-defined transmission, are highlighted. / Degut al creixement del tràfic IP i de la demanda de serveis de banda ampla, les xarxes òptiques estan experimentant canvis significatius. Els formats avançats de modulació, implementats a nivell de processat del senyal digital, habiliten la transmissió a alta velocitat. Mentre que a la capa de xarxa, l'espectre òptic es dividit en ranures flexibles ocupant l'ample de banda necessari segons la demanda de tràfic. La transmissió a alta velocitat és fa més tangible un cop habilitades totes aquestes funcionalitats. D'aquesta manera un dels principals objectius d'aquesta tesis es introduir flexibilitat al sistema. A demés, minimitzar el cost i maximitzar l'eficiència espectral del sistema són també dos aspectes crucials a considerar en el disseny del transmissor i receptor. Aquesta tesis investiga l'ús de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) i la de Hartley (FHT) per tal de dissenyar un sistema flexible i capaç de transmetre a alta velocitat a través de la fibra òptica. Per tant, es proposen diferent solucions de baix cost vàlides per a utilitzar en xarxes òptiques elàstiques. En primer lloc, s'investiguen i es proposen sistemes basats en detecció directa per tal de suportar la present i futura demanda. Després d'una introducció dels principis d' OFDM i la seva aplicació als sistemes òptics, s'introdueixen alguns dels problemes d'aquesta modulació. En particular, es presenten el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) i els sorolls de clipping i de quantizació com a limitació dels sistemes OFDM. S'analitzen tècniques de reducció de PAPR per tal de reduir l'impacte d'aquests impediments. També es proposen tècniques de baixa complexitat per a reduir el PAPR basades en la FHT. Finalment, s'utilitzen algoritmes d'assignació de bits i de potència, Bit Loading (BL) i Power Loading (PL), per tal de combatre la dispersió cromàtica quan es transmet pel canal òptic. Amb la implementació dels algoritmes de BL i PL, es poden dissenyar transmissors i receptors flexibles adaptant la velocitat a la demanda del moment i a les actuals condicions de la xarxa. En particular, els símbols OFDM es creen mapejant cada portadora amb un format de modulació diferent segons el perfil del canal. El sistema és validat experimentalment mostrant les prestacions i els beneficis d'incloure flexibilitat per tal de facilitar la transmissió a alta velocitat i cobrir les necessitats de l'Internet del futur / Debido al crecimiento del tráfico IP y de la demanda de servicios de banda ancha, las redes ópticas están experimentando cambios significativos. Los formatos avanzados de modulación, implementados a nivel de procesado de la señal digital, habilitan la transmisión a alta velocidad. Mientras que en la capa de red, el espectro óptico se divide en ranuras flexibles ocupando el ancho de banda necesario según la demanda de tráfico. La transmisión a alta velocidad es más tangible una vez habilitadas todas estas funcionalidades. De este modo uno de los principales objetivos de esta tesis es introducir flexibilidad en el sistema. Además, minimizar el coste y maximizar la eficiencia espectral del sistema son también dos aspectos cruciales a considerar en el diseño del transmisor y receptor. Esta tesis investiga el uso de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) y en la de Hartley (FHT) con tal de diseñar un sistema flexible y capaz de transmitir a alta velocidad a través de la fibra óptica. Por lo tanto, se proponen distintas soluciones de bajo coste válidas para utilizar en redes ópticas elásticas. En primer lugar, se investigan y se proponen sistemas basados en detección directa con tal de soportar la presente y futura demanda. Después de una introducción de los principios de OFDM y su aplicación en los sistemas ópticos, se introduce el principal problema de esta modulación. En particular se presentan el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) y los ruidos de clipping y cuantización como limitaciones de los sistemas OFDM. Se analizan técnicas de reducción de PAPR con tal de reducir el impacto de estos impedimentos. También se proponen técnicas de baja complejidad para reducir el PAPR basadas en la FHT. Finalmente, se utilizan algoritmos de asignación de bits y potencia, Bit Loading (BL) y Power Loading (PL), con tal de combatir la dispersión cromática cuando se transmite por el canal óptico. Con la implementación de los algoritmos de BL y PL, se pueden diseñar transmisores y receptores flexibles adaptando la velocidad a la demanda del momento y a las actuales condiciones de la red. En particular, los símbolos OFDM se crean mapeando cada portadora con un formato de modulaci_on distinto según el perfil del canal. El sistema se valida experimentalmente mostrando las prestaciones y los beneficios de incluir flexibilidad con tal de facilitar la transmisión a alta velocidad y cubrir las necesidades de Internet del futuro.

La comunicación entre redes ad hoc y redes basadas en infraestructura resulta esencial para poder extender Internet más allá de su alcance tradicional, a aquellas áreas hasta ahora inaccesibles, permitiendo la utilización de servicios Web y otras muchas aplicaciones en todo momento y lugar.En esta tesis doctoral se abordan dos difíciles retos: intentar proporcionar calidad de servicio extremo a extremo en la comunicación entre una red ad hoc y una red fija, y alargar la supervivencia de la red ad hoc para que dicha comunicación sea lo más estable y duradera posible.Para lograr alcanzar estos objetivos, se ha realizado primeramente un estudio exhaustivo tanto de los modelos de calidad de servicio como de los protocolos de encaminamiento existentes para redes ad hoc aisladas. Fruto de dicho estudio ha surgido una primera contribución que consiste en el diseño e implementación de un protocolo de encaminamiento para la mejora de la supervivencia en una red ad hoc aislada.A partir de esta base se ha podido abordar la diferenciación de servicios en redes ad hoc conectadas con redes fijas; como consecuencia de esta investigación se ha desarrollado una segunda contribución que consiste en el diseño y evaluación de un modelo de diferenciación de servicios que se basa en la cooperación para el mantenimiento de la calidad de servicio entre ambas redes.Finalmente, mediante una tercera contribución, se ha conseguido mejorar la supervivencia de una red ad hoc conectada a una red basada en infraestructura con el diseño e implementación de un protocolo de encaminamiento específicamente creado para tal efecto. Además, se ha demostrado que la incorporación de este protocolo de encaminamiento en una red ad hoc que utiliza un modelo de calidad de servicio basado en la interacción entre la red ad hoc y la red IP fija, no sólo alarga la supervivencia de la red ad hoc sino que además evita un aumento de la congestión y mejora la diferenciación de servicios entre ambas redes.Las simulaciones exhaustivas realizadas sirven para comparar todas estas contribuciones con otras propuestas anteriores, demostrando su efectividad y rendimiento.Las contribuciones presentadas en esta tesis doctoral tienen una singular importancia, pues hasta la fecha no se ha desarrollado ningún modelo de calidad de servicio que permita la interacción y favorezca la cooperación entre una red ad hoc y una red IP fija con el fin de proporcionar calidad de servicio extremo a extremo. Las contribuciones que se aportan demuestran que sí que es posible la diferenciación de servicios entre una red ad hoc y una red IP fija; además, prueban que resulta imprescindible la cooperación e integración de los modelos de calidad de servicio de ambas redes para lograrlo. Este trabajo resulta pionero en estos aspectos y sirve para abrir una nueva línea de investigación con el fin de promover la comunicación entre redes ad hoc y redes fijas. / The communication between wireless ad hoc networks and infrastructure-based networks is essential to extend Internet beyond its traditional scope, to remote inaccessible areas, making Web services available anytime, anywhere.In this PhD thesis two difficult challenges are tackled: to provide end-to-end quality of service in the communication between an ad-hoc and a wired network, and to extend the ad-hoc network survivability to achieve that this communication becomes as stable and lasting as possible.In order to attain these goals, we have firstly done an exhaustive study of the existing quality of service models as well as the routing protocols for isolated ad hoc networks. A first contribution has arisen from this study that is based on the design and implementation of a routing protocol for improving the survivability in an isolated ad hoc network.Under this basis research has been carried out into service differentiation in ad hoc networks connected to fixed networks; as a consequence of this research we have developed the second contribution of this thesis, that consists of the design and evaluation of a service differentiation model based on the cooperation for the quality of service provision between both networks.Finally, by means of a third contribution, we have managed to improve the network survivability of an ad hoc network connected to an infrastructure-based network with the design and implementation of a routing protocol specifically created for this purpose. In addition, we have proved that the incorporation of this routing protocol to an ad hoc network that uses a quality of service model based on the interaction between the ad hoc and the fixed IP network, does not only extend the ad hoc network survivability, but it also avoids congestion increase and improves the service differentiation between both networks.Extensive simulations have been carried out to compare all these contributions with already existing ones, proving their effectiveness and performance.The present contributions in this PhD thesis have a singular importance, since no quality of service model has been developed that enables the interaction and favours the cooperation between an ad-hoc and a fixed IP network with the aim of providing end-to-end quality of service. The contributions demonstrate that it is really possible to differentiate services between an ad hoc and a fixed IP network; moreover, they show that the cooperation and integration of the quality of service models in both networks is unvaluable in order to achieve it. This is a pioneering work in these aspects and it will be very useful to open a new research line with the aim of promoting the communication between ad hoc networks and fixed networks.

El sistema de acondicionamiento de potencia es clave para el funcionamiento correcto del resto de sistemas eléctricos de un satélite. Los reguladores conmutados continua - continua son las piezas que enlazan los paneles solares y las baterías con el bus principal de alimentación. La estabilidad, precisión y robustez del sistema de control son fundamentales en el diseño de esos convertidores.Desde el punto de vista de los especialistas en control, los convertidores conmutados son sistemas de estructura variable, en los cuales se aplica de forma natural el control en modo deslizante. Sin embargo, no es fácil encontrar un ejemplo en el que se haya aplicado con éxito en los sistemas de alimentación de satélites. Con esta tesis se pretende cubrir el vacío existente entre la teoría de control en modo deslizante y la práctica de diseño de controles de convertidores conmutados continua - continua que tienen aplicación en los sistemas de alimentación de satélites.La tesis comienza introduciendo las características básicas del sistema de alimentación y presentando algunos reguladores cargadores y descargadores de batería que han sido utilizados en satélites concretos. El resto de la tesis es un estudio teórico con el fin de diseñar reguladores controlados en modo deslizante para esa aplicación.Se ha comenzado obteniendo un conjunto finito de convertidores básicos, a partir de los circuitos con dos interruptores, aplicando un método de síntesis basado en reglas topológicas y se han seleccionado los convertidores con estrés mínimo en los interruptores. Se han escogido, de entre estos, los convertidores con la corriente de salida continua, para utilizar como descargadores de batería, y los que tienen la corriente de entrada continua como cargadores de batería.Se ha encontrado que todos los convertidores seleccionados (tomando como salida del sistema el error de la corriente que se debe controlar) tienen grado relativo uno y su dinámica cero es asintóticamente estable, si se cumplen ciertas relaciones entre los parámetros que se han obtenido explícitamente para cada convertidor. En algunos casos es necesario acoplar magnéticamente los dos inductores o añadir una red R-C serie en paralelo con el condensador.Se han proporcionado criterios de diseño del lazo de corriente y del lazo de tensión, utilizando comparadores con histéresis para generar la señal de control en modo deslizante. Se han simulado varios de estos reguladores, encontrando que cumplen las especificaciones restrictivas de impedancia en el bus y al mismo tiempo tienen un comportamiento robusto frente a perturbaciones de gran señal cuando los parámetros toman sus valores extremos.Los reguladores encontrados pueden servir para mejorar las prestaciones y reducir el coste de los sistemas de alimentación de satélites y tienen muchas otras aplicaciones fuera de la industria aerospacial. / Power conditioning system is key to correct operation of the rest of electrical systems of satellites. Dc-to-dc switching converters link solar panels and batteries with the main power bus. Control system stability, accuracy and robustness is basic in the design of those converters.Switching converters are variable structure systems from the point of view of control specialist. In those systems, sliding-mode control can be applied in a natural way. Nevertheless it is difficult to find a successful example in power conditioning systems of satellites. This thesis try to fill the gap between sliding-mode control theory and control design practice of dc-to-dc switching converters for power conditioning systems of satellites.Thesis begin introducing basic features of power conditioning system and some battery charge and discharge regulators which have been actually used in satellites. The rest of the thesis is a theoretical study with the purpose of design sliding-mode controlled regulators for that application.A finite set of basic converters has been obtained from two switch circuits, applying a synthesis method based on topological rules. Converters with minimum switch stress have been selected from that set. Among them, converters with continuous output current have been chosen for battery discharge regulators and converters with continuous input current for battery charge regulators.The analysis of selected converters show that all of them (taking as system output the error of current that must be controlled) have a relative degree of one and an asymptotically stable zero dynamics if certain conditions on the parameters are fulfilled. Those conditions have been found individually for each converter. In some cases, inductors must be coupled and a series R-C network must be added in parallel with a capacitor.A comparator with hysteresis is used to get sliding-mode control signal. Design criteria for the parameters of current and voltage loops are given. Some of those regulators have been simulated finding that they meet restrictive bus impedance specifications. In addition, they have a robust behavior in simulations of large signal perturbations where parameters take their extreme values.The found regulators can be used to improve performance and reduce cost of power conditioning systems of satellites. They also have a lot of others applications outside aerospace industry.

In this Thesis, new methods for monitoring marine species using optical, radio frequency and acoustic technologies have been proposed and evaluated for biological studies in the laboratory and open sea. A study of the current technologies for monitoring species has been carried out, analyzing the advantages and disadvantages of each one. Although optical technologies allow a non-contact (non-invasive) species monitoring, they require a correct positioning of the elements and they are limited to some factors such as the distance (range), the environmental conditions and the biofouling. Radiofrequency devices allow the study of species that come to the surface, or those that live in freshwater environments. But this technology is restricted in the marine environment due the high absorption of the electromagnetic signals in that environment. Acoustic devices facilitate the monitoring of species in open sea and large areas, allowing location and tracking of the animals, but this technology has to challenge different aspects such as the multipath, the temporal and spatial variation of the channel or the Doppler effect, among others. This research has been divided in three parts according the above technologies, in which have been proposed, designed and evaluated successfully different systems to monitoring species. First, the infrared detectors and low-cost cameras have been evaluated for laboratory applications. The proposal provides different solutions such the expansion and the auto configuration to make the system independent of the aquaria size. Likewise, through different algorithms proposed have been reduced false activity detections caused by changes in water quality (turbidity), the presence of particles that obstruct the line of sight between the transmitter and the receiver, and the deterioration of the transducers. In the second part of this work, solutions have been proposed using RFID (Radio Frequency IDentification) technology through the design and experimental validation of a system for tracking species in experimental aquaria. The proposal provides solutions applied to make the system independent of the aquaria size. The results have demonstrated the validity of this technology to locate and track benthic species in confined spaces with a resolution of several centimeters. Finally, the performance of a commercial acoustic monitoring system in shallow waters and near an artificial reef environment where complex and numerous reflections occur, has been evaluated. Due to the lack of standards, the incompatibility between manufacturers and the need to improve the previous results, this part of the research has been directed to build and evaluated an acoustic underwater transducer prototype and an open OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) communication platform, approaching the current advances in underwater acoustics towards the species monitoring systems. / En este trabajo de Tesis se proponen y evalúan nuevos métodos para la monitorización de especies marinas, empleando tecnologías ópticas, por radiofrecuencia y acústicas para estudios biológicos en laboratorio (acuarios de experimentación) y en espacios abiertos. Se ha realizado un estudio de las tecnologías empleadas para la monitorización de especies, presentado y analizado las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Aunque la tecnología óptica permite el estudio de especies sin contacto (no invasiva), requiere un correcto posicionamiento de sus elementos y está limitada por el alcance, las condiciones cambiantes del medio y la bioincrustación. Los dispositivos de radiofrecuencia permiten el estudio de especies que emergen a la superficie, o las que habitan en entornos de agua dulce; en el entorno marino esta tecnología se encuentra restringida debido a la gran absorción que sufren las señales electromagnéticas en ese medio. Los dispositivos acústicos facilitan la monitorización de especies en espacios abiertos de gran extensión, permitiendo su localización y seguimiento; sin embargo, esta tecnología presenta una gran sensibilidad a diferentes factores que impone el medio marino como el multicamino, la variación temporal y espacial del canal o el efecto Doppler, entre otros. La investigación se ha estructurado en tres partes donde, utilizando las tecnologías citadas, se han propuesto, diseñado y validado con éxito diferentes sistemas de medida. En primer lugar, se han evaluado los detectores de infrarrojos y las cámaras de bajo coste para la monitorización de especies en laboratorio. La propuesta contempla diferentes soluciones que independizan el sistema de las dimensiones del acuario, permitiendo su ampliación y configuración automática. Así mismo, mediante los algoritmos de procesado programados se han reducido las detecciones erróneas causadas por alteraciones de la calidad del agua (turbiedad), la presencia de partículas que obstruyen la línea de vista entre el par emisor-receptor y el deterioro de los transductores. En la segunda parte del trabajo de Tesis se han propuesto soluciones aplicando la tecnología RFID (Radio Frequency IDentification), mediante el diseño y validación experimental de un sistema de localización y seguimiento de especies en acuarios de experimentación. La propuesta realizada plantea mecanismos que independizan el sistema del tamaño del acuario, y permiten la autoconfiguración de sus componentes. Los resultados obtenidos han demostrado la validez de esta tecnología para localizar y seguir la trayectoria de especies bentónicas en espacios reducidos y con una resolución de varios centímetros. Finalmente, se ha evaluado el rendimiento de un equipo acústico comercial en mar abierto, a baja profundidad y en las proximidades de un entorno con arrecifes artificiales, donde ocurren complejas y numerosas reflexiones. Debido a la falta de estándares, la incompatibilidad entre fabricantes y con objeto de mejorar los resultados anteriores, en esta parte de la investigación se ha propuesto, construido y evaluado un prototipo de transductor acústico y una plataforma abierta de comunicaciones OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing), acercando la tendencia y los avances actuales en materia de comunicaciones acústicas a los sistemas de monitorización de especies marinas.

This thesis is focused on the study of dynamics and control of a multi-tethered satellite formation, where a multi-tethered formation is made up with several satellites (agents) connected by means of cables (tethers). The goal of the first part of the study is to evaluate the effect of tether mass on multi-tethered clusters. Due to the complexity of the formations analyzed, the stability of the formation is assessed through a numerical simulation. The behavior is evaluated in the ideal case of circular orbits, but also in non-ideal cases such as that of elliptical reference orbit or perturbed motion. For circular reference orbits, the dynamics of tethered satellite formation is studied, showing that tether mass affects formation dynamics for closed configurations featuring external tethers. This leads to significant instability effects affecting the position of deputies with respect to the parent body neglected by a more elementary modeling approach. When combined effect of orbit eccentricity and tether mass on tethered formations is analyzed, the most noticeable effect due to eccentricity is the increase in the variation of the local spin rate of the cluster between perigee and apogee passes of the reference elliptical orbit. This effect has consequences over the elongation of tethers, shape of tether oscillations and angular separation between adjacent tethers especially for open formations. When taking into account the J2 effect on massive tethered satellite formations, in the Earth¿facing scenario, the trajectory of the parent body presents oscillations of increasing amplitude in the direction perpendicular to the orbital plane. The second part of the study is focused on deriving a control law for position and attitude control of an Earth-facing double pyramid multi-tethered cluster. The control problem is decomposed in two levels: A first level to perform position and attitude coarse control of the formation as a whole, and a second level to achieve accurate position and control of each agent of the cluster. For the purpose of attitude control, and taking advantage again of the similarities between a tethered cluster and a rigid body, the virtual structure approach is chosen as the most suitable option. The formulation shown in this thesis augments the general virtual structure equations valid for a static formation by adding the kinematics of a spinning formation, since the original formulation is valid only to achieve a static final state. The controller is designed to modify the spin rate and the moment of inertia of the formation through a reeling mechanism, and therefore to be able to control the Likins-Pringle tilting angle of the cluster. For the derivation of the accurate positioning control law, the study initially discusses different alternatives based on the state of the art of the robotics control literature. After evaluating other alternatives, two control laws are chosen for this application: One based on a PID controller and one based on the sliding mode control technique. For the sliding mode based control, a proof of semi-global exponential stability is provided. Results of a representative simulation assess the viability of the control approach proposed leading to a submillimetric positioning accuracy. / La tesi es centra en l'estudi de la dinàmica i control de formacions de satèl·lits connectats per tethers. Aquestes formacions estan compostes per diversos satèl·lits (agents) connectats per cables (tethers). L'objectiu de la primera part de l'estudi, és l'avaluació de l'efecte de la massa a clústers connectats per múltiples tethers. Degut a la complexitat de les formacions analitzades, l'estabilitat de la formació s'analitza a través de simulacions. S'estudia el comportament pel cas ideal d'orbites circulars, així com en casos no ideals tals com orbites de referència el·liptiques, o moviment sota l'efecte de pertorbacions. La tesi analitza la dinàmica de les formacions per òrbites circulars, mostrant que l'efecte de la massa dels tethers afecta la dinàmica de formacions de geometria tancada (on el perímetre extern esta definit per tethers) amb un satèl·lit central. Aquest efecte dóna lloc a una clara inestabilitat que afecta la posició dels agents respecte a l'objecte central. Aquest efecte no és apreciable en models simplificats on s'ignora l'efecte de la massa al model. Quan es combina una òrbita de referència el·liptica amb un model que incorpora la massa dels tethers, l'efecte més notori és la variació de la velocitat de rotació local del clúster entre el pas per l'apogeu i perigeu de l'òrbita de referència. Aquest efecte té conseqüències sobre l'elongació dels tethers, la forma de les oscil·lacions, i la separació entre tethers adjacents (especialment en el cas de formacions obertes). Quan es té en compte l'efecte de la pertorbació J2, en el cas de formacions orientades envers la Terra, la trajectòria de l'objecte central presenta oscil·lacions d'amplitud creixent en la direcció perpendicular al pla orbital. La segona part de l'estudi es centra en la definició d'una llei de control per regular la posició i orientació d'un clúster amb geometria de doble piràmide orientat envers la Terra. El problema de control es descompon en dos nivells. Un primer nivell per un control primari de posició i orientació del cluster, i un segon nivell per un control de posició precís per a cada agent del cluster. Per tal d'aconseguir el primer nivell de control, i aprofitant les similituds entre un cluster connectat per tethers i un sòlid rígid, s'utilitza la tècnica d'estructura virtual. La formulació utilitzada en aquest estudi amplia el model general d'estructura virtual utilitzat per formacions estàtiques, tot afegint les equacions necessàries per a una formació que gira sobre un eix propi. El controlador esta dissenyat per permetre el canvi de la velocitat de gir i el moment d'inèrcia de la formació a través d'un sistema que permet modificar la longitud dels tethers. D'aquesta forma es permet controlar l'angle d'inclinació de Likins-Pringle del clúster. Per a la definició del control de precisió, l'estudi avalua inicialment diferents alternatives basades en l'estat de l'art de sistemes de control aplicats a robòtica. Després de descartar altres alternatives, es proposen dues lleis de control : Una primera basada en un controlador PID, i una basada en control lliscant. Per l'opció de control lliscant es presenta una demostració d'estabilitat exponencial semiglobal. Els resultats de simulacions confirmen la viabilitat de la solució de control que permet posicionament amb precisió submil·limetrica

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor es pot realitzar, prèvia petició, a l'Arxiu de la UPC / Increasing global energy demand, growing carbon emissions and the depletion of fossil fuel sources are some of the most important driving forces for the development of sustainable energy solutions. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells have been demonstrated to be a potential candidate for clean energy conversion in a wide range of applications reaching from highly dynamic transportation systems to stationary systems. Despite their benefits, such as high efficiency and wide operating range, PEM fuel cells must still meet or exceed the technological advantages, such as durability and cost, of conventional power systems in order to be truly competitive. Thus, current research is focused on improving these aspects. This doctoral thesis combines experimental and model-based studies in order to improve performance and durability of PEM fuel cells, that work without external humidification, as demanded by recent government-supported research programs. Improved performance and durability can be obtained by proper system control. The key factor for the development of successful control strategies is adequate thermal and water management considering their interconnections. Therefore, this work investigates the important links between performance, efficiency and lifetime with respect to fuel cell temperature and humidification. The experimental evaluation of temperature-related and purge-related effects shows the great potential of improving the system performance by proper thermal management. In-situ and ex-situ experiments, such as electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV), gas chromatography (GC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were utilized in order to explore short-term and long-term effects of operation modes on performance and durability. To provide a better understanding of the experimentally observed phenomena and their different dynamics with respect to the development of efficient controllers, mathematical models have been derived. The dynamic models allow for relating electrode structure to the cell voltage transient behavior during changes in fuel cell temperature and humidification, including important phase change and ionomer sorption dynamics of water. The experimentally validated, model-based analysis provides recommendations of proper operating conditions and catalyst structure, such as optimal fuel cell temperature and adequate pore-size-distribution, in order to improve the PEM fuel cell performance. The modular character and inherent adaptability of the models has been successfully demonstrated in the study of water transport in a high temperature PEM fuel cell stack. It is shown how mathematical modeling can improve the interpretation of experimental results and provide insight into experimentally non-observable interactions. In conclusion, the presented laboratory and model-based work, including the developed experimental and mathematical tools, contribute to current international research targets for advancing sustainable energy solutions. / La creciente demanda mundial de energía, el crecimiento de las emisiones de dióxido de carbono y el agotamiento de las fuentes de combustible fósiles son algunos de los factores más importantes para el desarrollo de soluciones basadas en energies sostenibles. Las pilas de combustible de tipo Proton Exchange Membrane (PEM) han demostrado ser un candidato potencial para la conversión limpia de la energía en una extensa gama de aplicaciones, desde los sistemas de transporte altamente dinámicos hasta sistemas estacionarios. No obstante sus beneficios, tales como una alta eficiencia y un amplio rango de operación, las pilas de combustible PEM todavía deben cumplir o superar las ventajas tecnológicas de los sistemas de energía convencionales, como son su durabilidad y coste, con el fin de ser verdaderamente competitivas. Por lo tanto, la investigación actual se centra en la mejora de estos aspectos. Esta tesis doctoral combina estudios experimentales y estudios basados en modelos físicos con el fin de mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM que trabajan sin humidificación externa, tal y como exigen recientes programas de investigación apoyados por los gobiernos. La mejora del rendimiento y de la durabilidad se puede obtener por control apropiado del sistema. El factor clave para el desarrollo de estrategias de control exitosas es la gestión adecuada de la temperatura y del agua y sus interconexiones. Por lo tanto, este trabajo investiga los vínculos importantes entre el rendimiento, la eficiencia y la vida útil con respecto a la temperatura de la pila de combustible y su humidificación. La evaluación experimental de los efectos relacionados con la temperatura y las purgas de hidrógeno muestra el gran potencial para mejorar el rendimiento del sistema pila mediante una gestión térmica adecuada. En esta tesis se emplean experimentos in-situ y ex-situ, tales como la espectroscopía electroquímica de impedancia (EIS), la voltametría cíclica (CV), la cromatografía de gases (CG), la espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), la difracción de rayos X (XRD) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) con el fin de explorar los efectos a corto plazo y a largo plazo de los modos de operación sobre el rendimiento y la durabilidad de una pila PEM. Para proporcionar una mejor comprensión de los fenómenos observados experimentalmente y sus diferentes dinámicas para el correcto desarrollo de controladores eficientes, se derivan modelos matemáticos dinámicos. Los modelos permiten relacionar la estructura de los electrodos con el comportamiento transitorio del voltaje durante los cambios de temperatura y de humidificación de la pila de combustible, incluyendo las dinámicas importantes del cambio de fase y de adsorción y desorción del agua. El análisis basado en modelos validados experimentalmente proporciona recomendaciones de las condiciones de funcionamiento y de la estructura del catalizador, tales como la temperatura óptima y la distribución de tamaño de poros apropiada, con el fin de mejorar el rendimiento de la pila de combustible PEM. El carácter modular y la adaptabilidad inherente de los modelos propuestos se demuestra con éxito en el estudio de transporte de agua en un stack de pilas de combustible PEM de alta temperatura. Se muestra como el modelado matemático puede mejorar la interpretación de los resultados experimentales y proporcionar información sobre las interacciones que experimentalmente no son observables. En conclusión, el trabajo de laboratorio y el basado en modelos que se presenta en esta tesis doctoral, incluyendo las herramientas experimentales y matemáticas desarrolladas, contribuyen a la consecución de los actuales objetivos internacionales de investigación que deben permitir aportar mejoras en las soluciones basadas en energías sostenibles.

Aquesta tesi es centra en el desenvolupament i l'ús d'una sonda miniaturitzada de silici per a la mesura de la impedància elèctrica de teixits vius tous. El propòsit d'aquestes mesures d'impedància és la monitorització en temps real del dany isquèmic per a aplicacions com la cirurgia cardíaca o el trasplantament d'òrgans. Actualment, el rang de mètodes aplicables a nivell clínic per tal de detectar l'isquèmia tissular és limitat i no existeix cap mètode pràctic que permeti la quantificació en temps real de l'efecte d'aquesta isquèmia, això és, el dany isquèmic. En aquest sentit, la monitorització de la impedància elèctrica sembla esperançadora i el treball d'aquesta tesi contribueix al camp mitjançant el desenvolupament de nous instruments i mètodes i mitjançant l'aportació de noves dades experimentals i eines per a la comprensió de la relació entre la patofisiologia i la impedància elèctrica. Les principals contribucions d'aquesta tesi es resumeixen a continuació.En aquesta tesi, es descriu el desenvolupament d'una sonda que formada per quatre elèctrodes de platí (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) a sobre d'un substrat de silici en forma d'agulla ( longitud d'inserció = 9 mm i secció de 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m). Els elèctrodes estan situats a una distància de separació no constant per tal de millorar la relació senyal-soroll i la resolució espacial. Es realitza una deposició electroquímica de platí negre sobre els elèctrodes per tal de reduir la impedància de la interfície i millorar la qualitat de les mesures. En el cas dels teixits vius, la banda freqüencial de mesura va dels 100 Hz fins als 100 kHz. Un mètode nou per a la mesura d'impedància a cinc elèctrodes es presenta i s'analitza. Amb aquest mètode, es pretén minimitzar l'error a baixes freqüències degut a l'elevada impedància de la interfície elèctrode-electròlit. Malauradament, encara que aquest mètode a cinc elèctrodes funciona, s'han trobat algunes limitacions que el fan quasi impracticable en el cas dels teixits vius.També es presenta el desenvolupament i l'ús d'un paquet de programari per a simular la impedància elèctrica dels teixits vius en les regions de dispersió &#61537; i &#61538;. Aquest programari es basa en la generació d'arxius SPICE a partir de l'especificació d'alguns paràmetres numèrics relacionats amb el teixit i el dibuix d'un mapa bi-dimensional que representa un tall de teixit. El resultat més significatiu d'aquest simulador és que és capaç d'obtenir respostes compatibles amb l'equació de Cole a partir d'un model basat únicament en resistències i capacitats.S'han realitzat diversos estudis experimental fent servir la sonda de silici. En aquesta tesi únicament es presenten els estudis amb ronyons de rata. Els resultats confirmen les principals observacions fetes anteriorment per altres investigadors que han treballat amb diferents animals, òrgans i protocols. Això vol dir, en termes generals, un increment significatiu de la magnitud de la impedància elèctrica a baixes freqüències (< 10 kHz) durant el desenvolupament del procés isquèmic que s'associa a l'inflament cel·lular o al tancament de les unions inter-cel·lulars (gap junctions). Malgrat això, aquí també s'observa que un paràmetre derivat de la caracterització espectroscòpica de la impedància segons el model Cole, el paràmetre &#61537;, normalment ignorat per molts autors, és capaç de detectar alguns fets que no són detectats per la resta de paràmetres derivats de l'estudi de la impedància. Concretament es mostra que el valor de &#61537; podria estar relacionat amb la morfologia de l'espai extracel·lular i es demostra experimentalment que &#61537; pot ser modificat per una alteració induïda del citosquelet cel·lular.Addicionalment, aquesta tesi inclou un annex que tracta de facilitar la comprensió de la monitorització de la bioimpedància elèctrica a aquells amb formació en ciències de la vida. / This thesis is focused on the development and use of a miniaturized silicon probe for electrical impedance measurements of soft living tissues. The purpose of those impedance measurements is to monitor the ischemia injury for applications such as cardiac surgery or organ transplantation.Currently, the range of clinically available methods to detect tissue ischemia is limited and there is not any practical method to quantify in an on-line manner the effect of such ischemia, that is, the ischemia injury. In this sense, electrical impedance monitoring seems very promising and this thesis contributes to the field by developing new instruments and methods and by providing novel experimental results and tools to understand the relation between pathophysiology and electrical impedance. The main contributions of this thesis are summarized below.In this thesis, it is presented the development of a silicon probe that consists of four platinum electrodes (300 &#61549;m &#61620; 300 &#61549;m) on a needle shaped silicon substrate (9 mm insertion length, 600 &#61549;m &#61620; 500 &#61549;m cross section). The electrodes are placed at non-constant separation distance in order to enhance signal-to-noise ratio and spatial resolution. An electrochemical deposition of platinum black on the electrodes is performed in order to reduce the interface impedance and improve the quality of the measurements. For living tissue measurements, the useful measurement band goes from 100 Hz to 100 kHz.A novel measurement method based on five electrodes is described and analyzed. It is intended to minimize errors at low frequencies caused by the high electrode-electrolyte interface impedances. Unfortunately, although this five-electrode method works, some limitations have been found that made almost impossible its implementation for living tissue measurements.It is also presented a custom developed software package to simulate the electrical impedance of living tissues at the &#61537; and &#61538; dispersion regions. It is based on the generation of a SPICE netlist from the specification of some numerical parameters concerning the tissue and a bi-dimensional map representing a slice of tissue. Some examples are provided to demonstrate its feasibility. The most significant result is that the simulator is able to obtain Cole compatible behaviours from models based on simple resistances and capacitances. Several experimental studies have been performed by using the silicon probe. In this thesis only the experiments carried out on rat kidneys are presented. The results confirm the main observations made by previous researchers working with other animals, organs and protocols. That is, in general terms, a significant increase of impedance magnitude at low frequencies (<10 kHz) during the course of ischemia that is related to cell swelling or gap junctions closure. However, here it is also observed that a parameter from impedance spectroscopy characterization according to the Cole model, the &#61537; parameter, which is often ignored, is able to detect some events that are not revealed by other impedance parameters. It is shown that the &#61537; value could depend on the extracellular space morphology and it is experimentally demonstrated that &#61537; is modified by an induced alteration of cells cytoskeleton.This thesis includes an annex that tries to facilitate the understanding of electrical bioimpedance monitoring for life-sciences practitioners.Another annex describes the instrumentation systems that were developed for electrical impedance measurements based on the four-electrode method.