Offshore wind is an emerging energy sector with a huge potential to be tapped in the near future. Offshore Wind Power Plants (OWPPs) are becoming increasingly relevant in Europe and worldwide mainly because the wind speeds are potentially higher and smoother than their onshore counterpart, which leads to higher wind power generation. Moreover, OWPPs have less space limitations constraints, so that it allows the possibility of using larger wind turbines. Nowadays, environmental and social aspects are forcing OWPPs to be constructed further from shore, (which usually leads to deeper waters) and the trend is expected to continue in the coming years. Several studies have demonstrated that if the distance between an OWPP and its grid connection point at the Point of Common Coupling (PCC) exceeds a certain critical distance (approximately 55-70 km), HVDC transmission becomes a more interesting solution than HVAC, since reduce cable energy losses and decrease reactive power requirements. This trend towards larger OWPPs located further away from shore is posing some technical, economic and political challenges that must be overcome to be fully competitive in the longer term compared to other energy sources. Today, there is an important concern about reducing the current Levelised Cost Of Energy (LCOE) of offshore wind projects by improving system reliability and availability, reducing O&M costs and/or increasing energy generation. This thesis aims to propose novel electrical WPP concepts more cost-effective than the existing ones and to comprehensive analyse their technical and economic feasibility. Specific challenges related to the design, optimisation, modelling, operation and control of these new concepts will be addressed in the study. All the concepts presented throughout this thesis, are focused on the collector grid of an OWPP, which encompasses all the necessary equipment to collect the power generated by the wind turbines and to export it to the offshore transmission HVDC platform. The first novel WPP concept assessed can be applied to either an onshore or offshore WPP with a MVAC collection grid connected to the grid through either an HVAC or HVDC transmission link, whilst the rest of the OWPP configurations analysed are motivated by the presence of HVDC technology and its ability to electrically decouple the OWPP from the onshore power system. Thus, the first wind power plant concept evaluated consists in properly derating some specific wind turbines in order to reduce the wake effect within the collection grid and, therefore, to maximise the energy yield by the whole wind power plant during its lifetime of the installation. The following three OWPP concepts analysed arise thanks to the opportunity provided by HVDC technology to operate the collection grid at variable frequency. Thus, the second proposed OWPP concept investigated is based on removing the individual power converter of each wind turbine and connecting a synchronous generator-based OWPP (or a wind turbine cluster) to a single large power converter which operates at variable frequency. Likewise, the third OWPP configuration assessed deals with the optimisation of this aforementioned concept and with the proposal of an hybrid MVAC/MVDC OWPP concept for the offshore collection grid. Regarding the fourth OWPP design, it consists of a DFIG-based OWPP with reduced power converters (approximately 5% of rated slip) connected to a single HVDC substation. This proposal is analysed both static and dynamically by means of simulations. Finally, the last novel OWPP concept presented in this thesis deals with the analysis of an entire offshore wind power plant in DC, with the aim of reducing the losses both in the inter-array and the export cable(s). In general terms, all the novel OWPP concepts analysed suggest a good potential to be applied to future offshore wind power plants by reducing in all the cases the LCOE in comparison with the existing OWPPs. / La energía eólica marina es un sector emergente que se encuentra en plena expansión. Múltiples circunstancias tales como que cada vez sea más difícil encontrar lugares propicios en tierra (principalmente en Europa) para la instalación de parques eólicos, que a medida que el parque se aleja de la costa el impacto visual y auditivo es menor y que en el mar el viento sopla con más intensidad y de una manera más constante que en tierra, lo cual posibilita obtener una mayor generación de energía eólica, han provocado que cada vez existan más parques eólicos marinos. Hoy en día, factores medioambientales y sociales están obligando a construir los parques eólicos marinos cada vez más alejados de la costa y se espera que esta tendencia continúe en los próximos años. Varios estudios han demostrado que a partir de una cierta distancia crítica entre el parque eólico y su punto de conexión a tierra (aproximadamente 55-70 km), la transmisión mediante alta tensión en corriente continua (ATCC) resulta una opción más interesante que a través de una transmisión en alta tensión de corriente alterna (ATCA), ya que las pérdidas en los cables se ven reducidas, así como los requerimientos de potencia reactiva. Esta tendencia hacia construir parques eólicos marinos cada vez mayores y a ubicarlos más alejados de la costa, supone el tener que resolver ciertos retos técnicos, económicos y políticos a fin de poder ser más competitivos en el futuro en comparación con otras fuentes de generación de energía. Hoy en día existe una importante preocupación por tratar de reducir el elevado coste actual de la energía para los proyectos de eólica marina a base de mejorar la fiabilidad y disponibilidad del sistema, reducir costes de operación y mantenimiento y/o incrementar la generación de energía. Esta tesis tiene como objetivo proponer conceptos eléctricos novedosos, aplicados a parques eólicos marinos, que resulten más rentables que los existentes actualmente. Asimismo, esta tesis pretende analizar de una manera exhaustiva la factibilidad, tanto técnica como económica, de dichos conceptos. Asuntos tales como el diseño, la optimización, el modelaje, la operación y el control son presentes en la tesis. El alcance del trabajo se focaliza en la zona colectora de un parque eólico y, por lo tanto, no se analiza, el sistema de transmisión ni su integración a la red. Dicha zona comprende todo el equipamiento necesario para recolectar la potencia generada por los aerogeneradores y transmitirla a la plataforma marina de ATCC. El primer concepto innovador de parque eólico evaluado puede ser aplicado tanto en parques situados en tierra como en el mar, que tengan una red colectora interna de corriente alterna en media tensión (MTCA) y un sistema de transmisión tanto ATCC o ATCA. Respecto al resto de configuraciones presentadas, estas vienen motivadas por la presencia de la tecnología ATCC y su capacidad para desacoplar eléctricamente la red interna del parque eólico del sistema eléctrico de potencia situado en tierra. Así pues, la primera propuesta de parque eólico a analizar consiste en operar algunas máquinas concretas por debajo de su punto óptimo de operación a fin de poder reducir el efecto estela dentro del parque y poder así maximizar la potencia total extraída por el mismo. Las tres siguientes configuraciones de parque analizadas se fundamentan en la posibilidad que ofrece la tecnología ATCC de poder operar la red interna del parque eólico a una frecuencia variable. En base a este nuevo concepto, la segunda propuesta de parque investigada consiste en prescindir de los convertidores individuales de cada turbina y conectar todos los generadores síncronos del parque eólico (o un simple grupo de máquinas) directamente al convertidor central, el cual opera a frecuencia variable. El tercer diseño de parque eólico se basa en una topología híbrida dentro del parque combinado MTCA y MTCC. Esta configuración surge de optimizar la propuesta anterior de parque eólico. Asimismo, la cuarta propuesta a analizar estudia la posibilidad de tener un parque consistente en generadores de inducción doblemente alimentados conectados a un convertidor común de tensión controlada situado en la plataforma marina, en el cual los convertidores de cada máquina sean de un tamaño menor a lo habitual (aproximadamente a un deslizamiento nominal de un 5%). Este sistema es analizado en detalle tanto estática como dinámicamente. Finalmente, el último concepto que se presenta en esta tesis analiza la posibilidad de considerar un parque eólico marino completamente (transmisión y red interna del parque) constituido mediante tecnología en CC, con el fin de poder reducir las pérdidas tanto en la red interna del parque como en el cable de exportación. En términos generales se puede concluir que todos los conceptos propuestos a lo largo de esta tesis sugieren un gran potencial para poder ser aplicados en futuros parques eólicos marinos, ya que su coste de energía se ve reducido en comparación con los parques eólicos existentes hoy en día.

Offshore wind is emerging as one of the future energy vectors. Offshore wind power plants locations provide more strong and constant wind speed that allows to extract more power compared to onshore locations. In addition, as wind turbine components transportation is less restricted to terrestrial infrastructure, bigger and more powerful wind turbines can be installed offshore. In Europe, 1,567 MW of offshore wind power was installed in 2013. It represents the 14\% of the total wind power installed in Europe. Offshore wind power plants near the shore can be connected to the main grid by means of conventional AC technology. However, if these wind farms are installed further than 80-100 km, the use of AC equipment is economically infeasible due to reactive power issues. In these applications, HVDC system based on static converters can be used. The projects build and commissioned nowadays are based on point-to-point connections, where, each wind farm or wind farm clusters are connected to the terrestrial grid individually. Consequently, these lines might be understood as an extension of the AC system. If different offshore wind farms are interconnected between them and connected at the same time to different AC systems, for example, different countries, the DC grid is created. This scenario creates one of the most important challenges in the electrical power system since its creation, more than 100 years ago. The most relevant challenges to be addressed are the stability and operation of the DC grid and the integration and interaction with the AC grid. This thesis addresses various aspects related to the future Multiterminal-HVDC systems for transmission of offshore wind power. First, the voltage control and the system operations are discussed and verified by means of emulations using an HVDC scaled experimental platform built for this purpose. Voltage stability might be endangered during contingencies due to the different inertia time constant of the AC and the DC system. DC systems only have the inertia of the capacitors compared to synchronous machines rotating masses of the AC systems. Therefore, in faulty conditions the power transmitted through the DC system must be reduced quickly and efficiently. For this reason, in this thesis a coordinated power reduction algorithm taking advantage of Dynamic Braking Resistors (DBR) connected to onshore converter stations and the ability of the power plants to reduce the generated power is presented. From the AC and DC grids integration point of view, the connection point between the offshore grid and the AC grid might be located remotely leading to a connection with a reduced Short Circuit Ratio (SCR). In the literature, several issues regarding the connection of transistor-based power converters to weak AC grid have been reported. In this thesis am advanced control for Voltage Source Converters connected to weak grids is presented and tested by means of simulations. From the AC and DC grids interactions, the voltage stability is not enough to operate a DC grid. Transport System Operators (TSO) operates the power flow through the cables and the power exchanged between by the power converters. In this thesis, a novel hierarchical power flow control method is presented. The aim of the proposed power flow control is to obtain the desired power flows changing the voltage control set-points while the system stability is ensured. Finally, a control procedure for offshore wind farms based on Squirrel Cage Induction Generators connected to a single power converter is introduced. / L'energia eòlica marina emergeix com un dels vectors energètics del futur. Les localitzacions eòliques marines proporcionen vens més forts i constants que les terrestres, cosa que permet extreure més potència. A més a més, els aerogeneradors marins poden ser més grans i més potents ja que es redueixen les limitacions de gàlib existent en les infraestructures terrestres. A tall d'exemple, l'any 2013 a Europa es van instal.lar 1.567 MW de potència eòlica marina, cosa que representa un 14\% de la potència eòlica instal.lada a Europa. Els parcs eòlics marins poden ser connectats a la xarxa elèctrica terrestre utilitzant emparamenta convencional de corrent alterna, però quan la distancia amb la costa excedeix els 80-100 km l'ús d'aquesta tecnologia es torna econòmicament inviable degut a l'energia reactiva generada en els conductors. Per solucionar aquest problema, s'emparen els sistemes en corrent continua basats en convertidors estàtics. Els projectes construïts o projectats a dia d'avui es basen en esquemes de connexió punt-a-punt, on, cada parc eòlic o agrupació de parcs eòlics es troba connectat a la xara terrestre individualment. En conseqüència, l'operació d'aquestes línies es pot considerar com una extensió de la xarxa d'alterna. Però, si s'interconnecten diferents parc eòlics amb diferents xarxes terrestres d'alterna (per exemple, diferents països) en corrent continua, s'obtenen xarxes en corrent continua. Aquest nou escenari crea un dels majors reptes des de la creació dels sistema elèctric de potencia, ara fa més de 100 anys. Entre aquests reptes hi ha l'estabilitat i l'operació dels sistemes en corrent contínua i la seva integració i coexistència amb les xarxes en corrent alterna. En la present tesis s'han estudiat diferents aspectes dels futurs sistemes multi terminal en alta tensió en corrent contínua (HVDC, en anglès) per la transmissió de potencia generada mitjançant parcs eòlics marins. Primerament, es descriu el control de tensió i els modes d'operació dels sistemes multi terminal i es verifiquen en una plataforma experimental construïda per aquest propòsit. L'estabilitat de tensió dels sistemes en corrent continua, es pot veure afectada durant una falta a la xarxa d'alterna degut a la reduïda inèrcia dels sistemes multi terminal, només formada pels condensadors dels convertidors i els cables. Així la potència que no pot injectar a la xarxa ha de ser reduïda de forma ràpida i eficient. Per això, en aquesta tesis es presenta un sistema coordinat de reducció de potència que utilitza la resistència de frenat dels convertidors de connexió a la xarxa i els mètodes de reducció de potència dels parcs eòlics. Des del punt de vista de la integració de les xarxes en continua i en alterna, el punt d'interconnexió pot estar localitzat llunys dels grans centres de generació, la qual cosa implica tenir una potència de curtcircuit molt reduïda. En la bibliografia científica s'han descrit diverses problemàtiques a l'hora de connectar un convertidor de commutació forçada a les xarxes dèbils. Per tal de pal.liar aquests inconvenients, en aquesta tesis es presenta un algorisme avançat de connexió de convertidors a xarxes dèbils basat en control vectorial. Des del punt de vista de les interaccions i interoperabilitat dels sistemes en corrent alterna i continua, no n'hi ha suficient en garantir l'estabilitat, ja que el propòsit finals dels operadors de xarxa és fer fluir una potencia a traves de la xarxa per tal de satisfer la demanda. Per aquest propòsit en aquesta tesis es presenta un control jeràrquic de control del flux de potència que fixa el flux de potència a traves d'una xarxa multi terminal canviant les consignes del control primari, tot assegurant l'estabilitat del sistema. Per tancar la tesis, es presenta un nou controlador per parcs eòlics basats en aerogeneradors de gàbia d'esquirol controlats per un sol convertidor.

Cognitive Radio (CR) paradigm represents an innovative solution to mitigate the spectrum scarcity problem by enabling Dynamic Spectrum Access (DSA), defined in order to conciliate the existing conflicts between the ever-increasing spectrum demand growth and the currently inefficient spectrum utilization. The basic idea of DSA is to provide proper solutions that allow sharing radio spectrum among several radio communication systems with sake of optimizing the overall spectrum utilization. This dissertation addressed the problem of modelling cognitive management frameworks that provide innovative strategies for spectrum management suitable to different scenarios and use cases in the context of DSA/CR Networks (CRNs). The first solution presented in this dissertation initially addressed the development of a framework that provides spectrum management strategies for Opportunistic Networks (ONs) defined as extended infrastructures created temporarily to serve specific regions following the policies dictated by the operator. The development of systems based on the CR paradigm to support the ONs is considered a key aspect to allow autonomous decisions and reconfiguration ability mechanisms because of the temporarily nature of these networks and the highly dynamic nature of the radio environment. Then, in order to expand the design of cognitive management frameworks providing spectrum management solutions that have applicability in a number of different scenarios and use cases, a cognitive management framework that exploits the Partially Observable Markov Decision Process (POMDP) concept has been proposed to combine the CR capabilities of radio environment awareness with a statistical characterization of the system dynamic. Finally, the framework based on POMDPs has been further extended with new functionalities able to characterize the environment dynamic through long-term predictions carried out exploiting the so-called belief vector. These frameworks as a whole aimed at demonstrating that a reliable characterization of the radio environment that combines awareness of its surrounding with a statistical evaluation of the system dynamics is able to guarantee an effcient utilization of the available spectrum resources. From a methodological point of view, the development and assessment of the proposed cognitive management frameworks and the corresponding spectrum management solutions involved analytical studies, system-level simulations and a real-time platform implementation. Overall, the research conducted in the context of this dissertation has revealed that proper cognitive management functionalities can be extremely beneficial to support spectrum management in a wide variety of scenarios and use cases. / El paradigma de radio cognitiva (CR) representa una solución innovadora para mitigar el problema de escasez de los recursos radio, permitiendo el acceso dinámico al espectro (DSA), definido con el fin de conciliar los conflictos existentes entre el crecimiento de la demanda de espectro, cada vez mayor, y la utilización de los recursos radio actualmente ineficiente. La idea básica del DSA es proporcionar soluciones adecuadas que permitan compartir el espectro radioeléctrico entre varios sistemas de comunicaciones radio con el objetivo de optimizar la utilización general del espectro. Esta tesis doctoral aborda el problema de la modelización de marcos de gestión cognitiva que proporcionan estrategias innovadoras y adecuadas para la gestión del espectro en diferentes escenarios y casos de uso en el contexto de las redes de radio cognitiva (CRN). La primera solución que se presenta en esta tesis aborda inicialmente el desarrollo de un marco que ofrece estrategias de gestión del espectro para redes oportunistas (ONs) definidas como infraestructuras extendidas, creadas temporalmente para servir a regiones específicas siguiendo las políticas dictadas por el operador. Debido a la naturaleza temporal de estas redes y a la naturaleza altamente dinámica del entorno radio, el desarrollo de sistemas basados en el paradigma de CR para apoyar las ONs se considera un aspecto clave que permite decisiones autónomas y mecanismos de reconfiguración. Luego, con el fin de ampliar el diseño de los marcos de gestión cognitiva para proporcionar soluciones de gestión del espectro con aplicabilidad en una serie de diferentes escenarios y casos de uso, se ha propuesto un marco de gestión cognitiva que explota el concepto de Partially Observable Markov Decision Process (POMDP) para combinar las capacidades de conocimiento del entorno radio del CR, con una caracterización estadística de la dinámica del sistema. Finalmente, el marco basado en el POMDP se ha ampliado con nuevas funcionalidades capaces de caracterizar el entorno dinámico a través de predicciones a largo plazo llevadas a cabo explotando el concepto de belief vector. Estos marcos en su conjunto tienen el objetivo de demostrar que una caracterización fiable del entorno radio que combina el conocimiento de su entorno con una evaluación estadística de la dinámica del sistema, es capaz de garantizar una utilización eficiente de los recursos disponibles del espectro. Desde un punto de vista de la metodología, el desarrollo y la evaluación de los marcos de gestión cognitiva propuestos y las correspondientes soluciones de gestión del espectro han involucrado estudios analíticos, simulaciones y la implementación de una plataforma que permite evaluaciones en tiempo real. En general, la investigación llevada a cabo en el contexto de esta tesis doctoral ha revelado que funcionalidades adecuadas de gestión cognitiva pueden ser extremadamente eficientes para apoyar la gestión del espectro en una amplia variedad de escenarios y casos de estudio.

The characterization of photonic band gap materials (Photonic Crystals) is a fundamental issue in the development of the technologies for their fabrication and future application. This Doctoral Thesis has dealt with the development of optical characterization methods and their implementation to planar photonic structures. According to the objectives established in the present work we have obtained several results that are concluded in the following paragraphs: We have developed an experimental technique based on the Bragg diffraction in the near and middle infra red (IR) spectral range to determine the lattice properties of planar photonic structures. We have applied the Angular-Dependent Reflectance Spectroscopy technique (ADRS) to the characterization of photonic bands in PhC slabs. The objective was the implementation of the technique to our samples with lattice parameters that require the measurement to be carried out in the mid-IR spectral range. We have implemented the Angle-Resolved Spectroscopic Polarimetry to characterize the band structure of planar photonic-crystal structures in the visible spectral range. We have developed of a simulation tool and post-processing method to enhance the photonic bands recognition by the cited methods. / La caracterización de materiales de gap fotónico (Cristales Fotónicos) es un aspecto fundamental en el desarrollo de las tecnologías para su fabricación y su futura utilización. Esta tesis doctoral se ha ocupado del desarrollo de métodos ópticos de caracterización, así como de su implementación en estructuras fotónicas planares, también conocidas como láminas de cristal fotónico (Photonic Cristal Slabs). De acuerdo con los objetivos fijados para el presente trabajo, hemos obtenido varios resultados, los cuales se resumen en los párrafos siguientes: Se ha desarrollado una técnica experimental basada en la difracción de Bragg en el rango espectral de la radiación infrarroja (IR) cercana y media, para determinar las propiedades de varias estructuras fotónicas planas. Se ha aplicado la técnica de la espectroscopia de reflectometría en ángulo variable (Angular-Dependent Reflectance Spectroscopy, ADRS) a la caracterización de bandas fotónicas en láminas de cristal fotónico. El objetivo ha sido la implementación de la técnica a las muestras fabricadas en el marco del grupo NePhoS de la Universitat Rovira i Virgili. Estas muestras tienen parámetros de red que requieren llevar a cabo una medición en un rango espectral del infrarojo (IR) medio. Finalmente, se ha desarrollado otra técnica óptica para caracterizar estructuras fotónicas planas: la polarimetría espectroscópica de ángulo variable.

Electrowetting technology, known since more than 100 years, just recently was successfully applied for the fabrication of devices such as pixels, liquid lenses and µTas (micro total analysis systems). Some of those devices are already a market product and some others are expected to reach the maturity to be marketed in the short period, although some fundamental aspects of the electrowetting phenomenon are not yet clear, like the origin of the saturation and the driving forces that lead to a contact angle variation. In the dissertation are presented several contributions to the electrowetting technology. First, have been reported the preliminary evidences about the contactless variation of the contact angle. Furthermore, these phenomena have been studied deeply and rigorous experimental work has been performed. Experimental data have been cross checked with simulations results and theoretical calculations. Finally, the results of the contactless electrowetting experiments lead us to be able to state that the driving element of the contact angle variation is the charge. Contactless electrowetting method has also unlocked the possibility to experimentally measure the impact of surrounding humidity in electrowetting dynamics and the limitations that introduce in the saturation of contact angle. The relationship between relative humidity and saturation contact angle resulted to be directly proportional and in line with the Peek¿s law prediction, here applied to a system in the micro scale. Therefore the last part of the dissertation was dedicated to the study of the charge driving of an electrowetting device in order to be able to control and predict the contact angle dynamics. As additional results it has been found that charge injection rate affects the speed of the contact angle variation, with negligible effects on the contact angle saturation. Cross checking the experimental results with theoretical predictions it has been found that the approximation of a droplet to a spherical cap gives a very good result while no clear contributions could be given to the saturation problem, leaving it open and without any clear solution, so far. Additionally, in this work contains a comprehensive review of state of the art of electrowetting technology and a detailed description of the multiphysic simulation method used. / La tecnología "Electrowetting", conocida desde hace más de 100 años, solo recientemente ha podido ser aplicada con éxito a dispositivos como pixeles, lentes líquidas y µTas (sístemas integrados de análisis). Algunos de estos productos ya se encuentran en el mercado, otros estan a punto de llegar a la madurez necesaria para ser comercializados, aún así, muchos aspectos fundamentales del fenomeno del "electrowetting" no están del todo claros, por ejemplo, el origen de la saturación del ángulo de contacto y las fuerzas que inducen la variación de este ángulo. En este trabajo de investigación se presentan varias contribuciones para entender mejor la technología "electrowetting". Primero, se han presentado evidencias preliminares de la variación "sin contacto" de ángulo de contacto. A continuación, estas observaciones han sido estudiadas profunda y rigurosamente con trabajo experimental. Finalmente, los resultados experimentales del electrowetting sin contacto han permitido entender que lo que induce la variación del ángulo de contacto es la carga. El "electrowetting" sin contacto permite la medida experimental del impacto de la húmedad de la atmosfera en las dinámicas del "electrowetting" y las limitaciones que ésta induce en el ángulo de contacto final. La relación entre la húmedad relativa del átmosfera y la saturación del ángulo de contacto es directa: contra más húmedad, más alto es el ángulo en saturación, en linea con las predicciones de la ley de Peek, en este caso, aplicado a microescala. La última parte del trabajo se ha dedicado a estudiar el control en carga de un dispositivo electrowetting para poder predecir y controlar las dinámicas de variación del ángulo de contacto. Como resultado adicional, se ha visto que el control de inyección de carga afecta la velocidad de variación del ángulo de contacto, con efectos segundarios despreciables en el ángulo final en saturación. Cruzando los resultados experimentales con las predicciones teóricas ha sido verificado que la aproximación de la gota a un casquete esférico da buenos resultados teóricos mientras no se ha podido dar ninguna contribución clara para la resolución del problema del ángulo de contacto, dejando abierto el tema. En este trabajo contiene además una revisión del estado del arte de la tecnología electrowetting y una descripción detallada del método de simulación multifísica usado.

Els articles incorporats als appendix B-H són escrits en anglès / This thesis presents reconfigurable microwave discriminators used for the development of reconfigurable measurement circuits with high miniaturization, low power consumption, reduced weight and cost. The concept is demonstrated by the design and manufacture of several microwave discriminator topologies to generate 2 and 4 bits used for frequency identification. These topologies are implemented with transmission lines (microstrip and coplanar waveguides), solid state technology, and micro mechanical-electro-systems MEMS. Three reconfigurable microwave discriminator topologies are presented; the first topology generates 2-bits of frequency identification, the second topology generates 4-bit of frequency identification. These topologies use solid state technology (PIN diodes), microstrip transmission lines and operate in the frequency bands L and S. The third topology uses coplanar waveguides and two SPQT switches; each switch of the device is integrated in a RF-MEMS SPQT chip. This topology operates in the frequency bands C, X and Ku. Finally, the last topology presented in this work is the design of a MEMS phase shifter, which generates a phase shift of 180°. This topology uses slotline transmission lines and operates in the frequency band Ka. This phase shifter allows developing reconfigurable microwave discriminators with high miniaturization and reduced weight. / En esta tesis se presenta el concepto de discriminadores de microondas reconfigurables de dos puertos para el desarrollo de sistemas de medición de frecuencia reconfigurables de alta miniaturización, peso y costo reducido. Este concepto es comprobado con el diseño y fabricación de varias topologías de discriminadores de microondas para generar 2 y 4 bits de identificación de frecuencia, implementados con líneas de transmisión microstrip y coplanar waveguide, y tecnología de estado sólido, y sistemas micro-electro-mecánicos MEMS. Se presentan tres topologías de discriminadores de microondas reconfigurables; uno genera 2 bits de identificación y los dos restantes generan 4 bits de identificación. Dos topologías utilizan tecnología de estado sólido (diodos PIN), líneas de transmisión microstrip y operan en la banda de frecuencia L y S. La última topología usa interruptores SPQT integrados en chips RF-MEMS, líneas de transmisión coplanar y opera en las bandas de operación C, X y Ku. Finalmente, se presenta el diseño de un defasador implementado con tecnología MEMS para generar un corrimiento de fase de 180°. Esta topología utiliza líneas de transmisión tipo slotline y opera en la banda Ka. Este defasador permite generar discriminadores de microondas reconfigurables con alta miniaturización, y peso reducido

This work deals with the research on organic solar cells based on small-molecules semiconductors. In particular, organic solar cells of this thesis have been used tetraphenyldibenzoperiflanthene as donor material and fullerene C70 as acceptor material. In the first part of this thesis, we focus on the influence of the density of states of the donor layer on the characteristic parameters of solar cells. Further, organic solar cells with p-i-n structure are presented, where the intrinsic layer is obtained by coevaporation of donor and acceptor. The influence of the thickness of the intrinsic layer on the p-i-n solar cell characteristic is analysed. In the second part, an equivalent circuit for organic solar cells is presented. A new term is added to the standard model representing recombination losses in the active layer of the device. The analysis of the characteristics of current - voltage measured at different illumination intensities allows the estimation of the term recombination. The model clearly separates technological issues (series and parallel resistance) from effects related to the physics of the device (recombination losses). It also allows obtaining an effective mobility-lifetime product in the active layer of the device to be determined, characterising its state of degradation. / En aquesta tesi s’investiguen cèl·lules solars orgàniques basades en semiconductors de petita molècula. En particular, les cèl·lules solars orgàniques d’aquesta tesi han emprat tetraphenyldibenzoperiflanthene com material donador i ful·lerè C70 com material acceptador. En la primera part d'aquesta tesi, ens centrem en la influència de la densitat d'estats de la capa donadora en els paràmetres característics de les cèl·lules solars. Més endavant, es presenten cèl·lules solars orgàniques amb una estructura p-i-n, on la capa intrínseca s'obté per l'evaporació conjunta del donador i l’acceptador. S'analitza la influència del gruix de la capa intrínseca de la cèl·lula solar p-i-n en la característica de la cèl·lula solar. En la segona part, es presenta un circuit equivalent per a les cèl·lules solars orgàniques. S'afegeix un nou terme en el model estàndard que representa les pèrdues de recombinació a la capa activa del dispositiu. L’anàlisi de les característiques de corrent-tensió mesurades a diferents intensitats de llum permeten l'estimació del terme de recombinació. El model separa clarament les qüestions tecnològiques (resistències en sèrie i en paral·lel) dels efectes relacionats amb la física del dispositiu (pèrdues de recombinació). També permet l’obtenció d’un producte de la mobilitat - temps de vida efectiu a la capa activa del dispositiu a ser determinat, la caracterització del seu estat de degradació.

Over the last decades, wireless technologies have become an important part of our daily lives. A plentitude of new types of networks based on wireless technologies have emerged, often replacing wired solutions. In this development, not only the number and the types of devices equipped with wireless transceivers have significantly increased, also the variety of wireless technologies has grown considerably. Moreover, Internet access for wireless devices has paved the way for a large variety of new private, business, and research applications. Great efforts have been made by the research community and the industry to develop standards, specifications, and communication protocols for networks of constrained devices, we refer to as Wireless Sensor Networks (WSNs). The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) defined the 802.15.4 standard for Personal Area Networks (PANs). With the introduction of an adaptation layer which makes IEEE 802.15.4 networks IPv6-capable, interconnecting billions of constrained devices has become possible and is expected to become a reality in the near future. The vision that embraces the idea of interweaving Internet technology with any type of smart objects, such as wearable devices or sensors of a WSN, is called the Internet of Things (IoT). The main goal of this thesis is the improvement of the performance of low-power wireless networks. Given the wide scope of application scenarios and networking solutions proposed for such networks, the development and optimization of communication protocols for wireless low-power devices is a challenging task: The hardware restrictions of constrained devices, specific application scenarios that may vary from one network to another, and the integration of WSNs into the IoT require new approaches to the design and evaluation of communication protocols. To face these challenges and to find solutions for them, research needs to be carried out. Mechanisms and parameter settings of communication protocol stacks for WSNs that are crucial to the network performance need to be identified, optimized, and complemented by adding new ones. The first contribution of this thesis is the improvement of end-to-end performance for IEEE 802.15.4-based PANs, where default parameter settings of common communication protocols are analyzed and evaluated with regard to their impact on the network performance. Physical evaluations are carried out in a large testbed, addressing the important question of whether the default and allowed range settings defined for common communication protocols are efficient or whether alternative settings may yield a better performance. The second contribution of this thesis is the improvement of end-to-end performance for ZigBee wireless HA networks. ZigBee is an important standard for low-power wireless networks and the investigations carried out address the crucial lack of investigation the ZigBee HA performance evaluations through physical experiments and potential ways to improve the network performance based on these experiments. Eventually, this thesis focuses on the improvement of the congestion control (CC) mechanism applied by the Constrained Application Protocol (CoAP) used in IoT communications. For the handling of the possible congestion in the IoT produced by the plethora of the devices and/or link errors innate to low-power radio communications, the default CC mechanism it lacks an advanced CC algorithm. Given CoAP's high relevance for IoT communications, an advanced CC algorithm should be capable of adapting to these particularities of IoT communications. This thesis contributes to this topic with the design and optimization of the CoAP Advanced Congestion Control/Simple (CoCoA) protocol, an advanced CC mechanism for CoAP.The investigations of advanced CC mechanisms for CoAP involve extensive performance evaluations in simulated networks and physical experiments in real testbeds using different communication technologies. / En les últimes dècades, les tecnologies sense fils s'han convertit en una part important de la nostra vida quotidiana. Una àmplia varietat de nous tipus de xarxes basades en tecnologies sense fils han sorgit, sovint reemplaçant solucions cablejades. En aquest desenvolupament, no només el nombre i els tipus de dispositius equipats amb transceptors sense fils han augmentat significativament, també la varietat de tecnologies sense fils ha crescut de manera considerable. D'altra banda, l'accés a Internet per als dispositius sense fils ha donat pas a una gran varietat de noves aplicacions privades, comercials i d'investigació. La comunitat científica i la indústria han fet grans esforços per desenvolupar normes, especificacions i protocols de comunicació per a xarxes de sensors sense fils (WSNs). L'Institut d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica (IEEE) defineix l'estàndard 802.15.4 per a xarxes d'àrea personal (PAN). Amb la introducció d'una capa d'adaptació que possibilita les IEEE 802.15.4 xarxes compatibles amb IPv6, la interconnexió de milers de milions de dispositius restringits s'ha fet possible. La idea d'entreteixir la tecnologia d'Internet amb qualsevol tipus d'objectes intel·ligents, com els dispositius o sensors d'una WSN és coneguda com la Internet de les Coses (IoT). L'objectiu principal d'aquesta tesi és la millora del rendiment de les WSNs. Donada l'àmplia gamma d'escenaris d'aplicacions i solucions de xarxes proposats per a aquest tipus de xarxes, el desenvolupament i l'optimització dels protocols de comunicació per a dispositius de WSNs és una tasca difícil: les limitacions de capacitats dels dispositius restringits, escenaris d'aplicació específics que poden variar d'una xarxa a l'altra, i la integració de les WSNs a la IoT requereixen nous enfocaments per al disseny i avaluació de protocols de comunicació. Cal identificar mecanismes i configuracions de paràmetres de les piles de protocols de comunicació per a WSNs que són elementals per al rendiment de la xarxa, optimitzar-los, i complementar-los amb l'addició d'altres de nous. La primera contribució d'aquesta tesi és la millora del rendiment extrem a extrem per PANs basat en IEEE 802.15.4, on s'analitza la configuració de paràmetres que es fan servir per defecte en protocols de comunicació comuns i s'avalua el seu impacte en el rendiment de la xarxa. Avaluacions físiques en una xarxa de sensors permeten fer front a la important qüestió de si els valors estàndards dels paràmetres són eficients o si ajustant-los es pot proporcionar un millor rendiment. La segona contribució d'aquesta tesi és l'optimització del rendiment extrem a extrem de xarxes ZigBee domòtiques (HA) sense fils. ZigBee és un estàndard important per a WSNs. Els estudis duts a terme cobreixen la important falta d'investigació d'avaluacions de rendiment de xarxes HA de ZigBee mitjançant experiments físics i mostrant formes per millorar el rendiment de la xarxa en base d'aquests experiments. Finalment, aquesta tesi es centra en la millora del mecanisme bàsic de control de congestió (CC) aplicada pel Constrained Application Protocol (CoAP) utilitzat en les comunicacions de la IoT. És necessari un algoritme de CC avançat per al control de la possible congestió en la IoT produïda per la plètora de dispositius i/o errors d'enllaç naturals per a les comunicacions de ràdio de baixa potencia. Donada l'alta rellevància de CoAP per a les comunicacions en la IoT, un algoritme CC avançat ha de ser capaç d'adaptar-se a les particularitats de les comunicacions de la IoT. Aquesta tesi contribueix al problema amb el disseny i l'optimització Control de Congestió Avançat / Simple del CoAP (CoCoA), un mecanisme de CC avançat per CoAP. Les investigacions de mecanismes de CC avançats per CoAP impliquen avaluacions extenses en xarxes simulades i experiments físics en xarxes reals utilitzant diferents tecnologies de comunicacions.

The present work is framed in the area of the EE, raising main objectives: * The study and analysis of the State of energy efficiency in some Latin American countries * Analyze regulations, rules and standards in force earmarked for the energy rating. * Characterize the govermment-sponsored housing in Latin America and propose efficiency strategies adapted to the countries with tropical climates located in South America * A study for the definition of a comfort temperature appropriate to the countries with tropical climates. * Study the influence of efficiency strategies proposed in the government-sponsored housing and comfort temperature adapted to the tropical climate in the energy saving. The first objective seeks to let in evidence the impact of some practical and essential measures on energy saving. Is noteworthy the great potential for savings in energy use that exists in the construction sector, this was selected the social interest housing due to the projection mass that has this type of construction as a housing solution. The second objective aims to find a rating system that suits the characteristics of climate and building existing in Latin American converging in the selection of the technical of the building code (CTE) represented in the basic document of habitability and energy (DB-HE). The main reasons for this choice is that it allows the qualification in different climatic conditions, with an area very similar to tropical conditions in terms of ambient temperature and humidity as it is presented in Las Palmas de Gran Canaria, also it is a policy that takes into account most of the parameters that affect the energy rating. A survey for the characterization of the government-sponsored housing which is sent to a sample of professors from various universities Latin American, specialists in the area was designed in the third objective. This housing was subjected to the rating process, which has not complied with the provisions of the standard, which proposed a series of measures which contributed to achieve a substantial improvement in the qualification. In the fourth objective is proposed, based on the adaptive model, a new expression for the determination of the comfort temperature in tropical climates. This new expression incorporates the relative humidity as a variable to be considered to characterize the comfort temperature and was applied to the study of some located cities in the intertropical strip. The results suggest that the comfort range should rise a couple of degrees as defined by the reference standards when considering the relative humidity present in the climate area. Finally, as the ultimate goal, the energy savings that are achieved with the implementation of energy efficiency measures described for the government-sponsored housing and the consideration of the new comfort temperature is suggested. / La presente trabajo se enmarcara en el área de la EE, planteando como objetivos principales: -El estudio y análisis del estado de la eficiencia energética en algunos países latinoamericanos. -Analizar reglamentos, normas y estándares vigentes destinados a la calificación energética. -Caracterizar la vivienda de interés social en Latinoamérica y proponer estrategias de eficiencia adaptadas a los países con climas tropicales ubicados en América del Sur. -Realizar un estudio para la definición de una temperatura de confort adecuada a los países con climas tropicales. -Estudiar la influencia de las estrategias de eficiencia propuestas en la vivienda de interés social y de la adaptación de la temperatura de confort al clima tropical en el ahorro de energía. El primer objetivo busca dejar en evidencia el impacto que tienen algunas medidas prácticas e indispensables en el ahorro energético. Es de destacar el gran potencial de ahorro en el uso de energía que existe en el sector de la construcción, para ello se seleccionó la vivienda de interés social debido a la proyección en masa que tiene este tipo de construcciones como solución habitacional. El segundo objetivo tiene la finalidad de encontrar un sistema de calificación que mejor se adapte a las características de clima y construcción existentes en la zona latinoamericana convergiendo en la selección del Código Técnico de la Edificación (CTE) representado en el Documento Básico de habitabilidad y energía (DB-HE). Las principales razones de esta selección es que permite la calificación en diferentes condiciones climáticas, contando con una zona con condiciones bastante similares a las tropicales en cuanto a temperatura ambiente y humedad como la que se presenta en Las Palmas de gran Canaria, además se trata de una normativa que toma en cuenta la mayoría de los parámetros que afectan la calificación energética. En el tercer objetivo se diseñó una encuesta para la caracterización de la vivienda de interés social la cual se envió a una muestra de profesores de distintas universidades latinoamericanas especialistas en el área. Esta vivienda fue sometida al proceso de calificación, la cual no cumplió con lo establecido en la norma, por lo cual se propusieron una serie de medidas que contribuyeron a alcanzar una mejora sustancial en la calificación. En el cuarto objetivo se propone, partiendo del modelo adaptativo, una nueva expresión para la determinación de la temperatura de confort en los climas tropicales. Esta nueva expresión incorpora la humedad relativa como variable a tener en cuenta para caracterizar la temperatura de confort y fue aplicada al estudio de algunas ciudades ubicadas dentro de la franja intertropical. Los resultados sugieren que el rango de confort se debe elevar un par de grados a lo definido por las normas de referencia cuando se considera la humedad relativa presente en esa zona climática. Finalmente, como último objetivo, se muestran los ahorros energéticos que se logran con la aplicación de las medidas de eficiencia energética descritas para la vivienda de interés social y la consideración de la nueva temperatura de confort sugerida.

The main objective of this thesis is to propose and evaluate medium access layer algorithms, that will exploit different types of cognition to provide energy and spectrum efficiency enhancement. In particular, two main research directions are followed: i) the first focuses on spectrum-awareness in cognitive radio (CR) networks inspired by the pioneering work conducted by Mitola in 1999, and ii) the second on the context-aware self-adaptation of cellular heterogeneous networks (HetNets) (i.e., self-organizing networks, SONs). In both contexts, the exploitation of the available information plays a key role on providing sustainable wireless networks. However, given the different needs and features that characterize each of these networks, they are studied separately. Hence, the first part of this thesis focuses on the coexistence of secondary networks (SNs) that share the same primary user (PU) resources. A coexistence scheme is proposed as well as a novel energy-efficient contention-aware channel selection algorithm, which: i) exploits cooperative spectrum sensing to detect the free from PU activity licensed channels, ii) for each one of them, it estimates the probability of collision, and iii) selects the less contended (i.e., with the lowest probability of collision) to access first. An analytical model for the throughput and the energy efficiency of the SN under study is provided, which is validated by means of simulation. The proposed channel selection algorithm is shown to outperform its counterparts both in terms of throughput and energy efficiency. The proposed SN coexistence scheme is also shown to achieve throughput and energy efficiency gains, while maintaining fairness among the coexisting SNs. The second part of the thesis focuses on cognitive HetNets with multi-hop small cell (SC) backhaul (BH) links. The multi-hop BH is a promising solution since i) not all SCs are expected to have a direct connection to the core network and consequently they are likely to forward their traffic to the neighboring SCs to reach it and ii) the expected short length of BH links enables the use of millimeter wave (mmWave) frequencies to provide high capacity BH. In this context, this thesis studies the role of BH aiming to answer to whether or not it could constitute an energy bottleneck for the HetNet. In particular, the BH energy impact is compared to the access network (AN), i.e., the links between the users and their serving cells, under different traffic distribution scenarios and BH technologies. Moreover, the user association problem is studied aiming at the joint maximization of energy and spectrum efficiency of the network, without compromising the user equipment (UE) quality of service (QoS) requirements. To that end, analytical user association frameworks are provided, which can be used as benchmarks for the performance evaluation of different user association solutions. Given the need for low complexity solutions, we also propose efficient heuristic algorithms which exploit context-aware information (i.e., UE measurements and requirements, the HetNet architecture knowledge and the available spectrum resources of each base station (BS)) to associate the UEs in an energy and spectrum efficient way, while considering both the AN and BH energy consumption. The proposed algorithms as well as the derived optimal solutions are compared with reference approaches for different BH technologies and traffic distribution scenarios. Insights are gained into the energy and spectrum efficiency trade-off. Furthermore, our results indicate that i) mmWave BH is a promising solution to provide low consumption high capacity BH, and ii) that the proposed algorithms can achieve notable performance gains compared to the state-of-the-art, while achieving near-optimal performance. / El objetivo principal de esta tesis es proponer y evaluar algoritmos de la capa de acceso al medio que exploten distintos tipos de cognición para ofrecer mejoras en la eficiencia espectral y eléctrica. En concreto, se han seguido dos direcciones de investigación principales: i) la primera se centra en redes de radio cognitiva inspiradas en el trabajo pionero desarrollado por Mitola, y ii) la segunda se dedica al estudio de la adaptación dinámica de las redes celulares heterogéneas en función del contexto. En ambos contextos, la utilización de la información disponible juega un papel crucial en la provisión de redes inalámbricas sostenibles. A pesar de ello, debido a las diferentes necesidades y características de cada una de las redes, se estudian por separado. La primera parte de la tesis se centra en la coexistencia de redes secundarias (SNs) que comparten los recursos de los usuarios primarios (PUs). Se propone un esquema que permite dicha coexistencia, así como un nuevo algoritmo de selección de canal energéticamente eficiente basado en la detección de congestión que: i) explota el concepto de cooperative sensing para detectar los canales sin actividad de PUs, ii) para cada uno de ellos, estima la probabilidad de colisión, y finalmente iii) prioriza el acceso a aquellos canales que tiene menor contención (es decir, que tienen la menor probabilidad de colisión). Se desarrolla un modelo analítico tanto para el throughput como para la eficiencia energética de la SN, que posteriormente se valida mediante simulaciones. El algoritmo de selección de canal propuesto mejora el comportamiento del estado del arte en términos de throughput y de eficiencia energética. Asimismo, el esquema de coexistencia propuesto también ofrece mejoras de throughput y de eficiencia energética y, a su vez, mantiene la equidad entre las SNs que coexisten. La segunda parte de la tesis se centra en las redes heterogéneas cognitivas (cognitive HetNets) con un backhaul (BH) formado por enlaces multi-hop entre small cells (SC). El multi-hop BH es una solución prometedora debido a que i) se prevé que no todas las SCs tengan conexión directa con la core network y, por consiguiente, deberán encaminar el tráfico a través de las SCs vecinas, y ii) la corta distancia de los enlaces del BH permitirán el uso de las bandas milimétricas (mmWave) para ofrecer un BH de alta capacidad. En este contexto, la tesis tiene el objetivo de responder si el BH puede suponer un cuello de botella para las HetNets. Concretamente, se compara el impacto del BH respecto a la red de acceso (los enlaces entre los usuarios y sus serving cells) en términos de energía para distintas distribuciones de usuarios y tecnologías de BH. Además, se estudia la user association como un problema de maximización conjunta de la eficiencia espectral y energética de la red, siempre sin comprometer los requisitos de Calidad de Servicio (QoS) de los usuarios. Con ese fin, se desarrolla un marco analítico para el problema de user association, que supone un benchmark para el análisis del comportamiento de distintas soluciones. Debido a la necesidad de soluciones de baja complejidad, la tesis también propone algoritmos heurísticos eficientes que utilizan la información de contexto disponible para asociar los usuarios de un modo eficiente espectral y energéticamente, siempre teniendo en cuenta el consumo energético del BH y de la red de acceso. Los algoritmos propuestos, así como las soluciones óptimas derivadas, son comparados para distintas distribuciones de usuarios y tecnologías de BH. Ello permite comprender el compromiso existente entre eficiencia espectral y eficiencia energética. Los resultados obtenidos muestran que i) las ondas milimétricas son una solución prometedora para conseguir un BH de bajo consumo de energía y alta capacidad, y ii) que los algoritmos propuestos permiten obtener mejoras notables en comparación con el estado del arte, así como conseguir soluciones cuasi-óptimas.