[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el estudio, desarrollo, diseño y fabricación de nuevos componentes pasivos de microondas, tales como filtros y multiplexores que operen en las bandas de alta frecuencia de los actuales y futuros satélites de telecomunicación (bandas Ku, K y Ka) entre 12 y 40 GHz. Dichos componentes deben ser capaces de ofrecer tanto respuestas clásicas sencillas como avanzadas (elípticas), y presentar una capacidad de resintonización (tanto en términos de frecuencia central como de ancho de banda). Estos componentes darán solución a las necesidades actuales de los sistemas de comunicaciones espaciales, que requieren de mayores tasas de transmisión de datos (señales de mayor ancho de banda), así como de mayor flexibilidad en las frecuencias de operación, para ofrecer con un mismo dispositivo distintos servicios y prestaciones. Para ello, se proponen tanto modificaciones a las estructuras de filtros clásicos de microondas actuales, como la introducción de nuevas estructuras. Asimismo, también se investigará el uso de los tornillos de ajuste post-fabricación de los filtros como tornillos de sintonía metálicos, así como la posible introducción de tornillos de sintonía realizados con distintos materiales dieléctricos. Se pretende, de esta forma, mejorar las respuestas de los dispositivos actuales; reduciendo su tamaño y costes de producción (debido a la relajación de las tolerancias de fabricación), abaratando de esta forma la fabricación y futura operación de los mismos. Aprovechando estos nuevos dispositivos, se abordará también el diseño, fabricación y medida de componentes más complejos, como pueden ser los los diplexores de canal o los conmutadores con respuesta selectiva en frecuencia, todos ellos necesarios en los sistemas de comunicaciones espaciales y en íntima relación con los filtros previamente mencionados. Por último, el desarrollo de todos estos nuevos dispositivos vendrá acompañado de una metodología de diseño basado en el uso del Mapeo Espacial Agresivo (Aggressive Space Mapping, ASM) especialmente adaptado a los filtros en guía de onda. / [CA] La present tesis doctoral té com a objectiu el estudi, desenvolupament, diseny i fabricació de nous components pasius de microones, tals com els filtres i multiplexors que operen en les bandes d'alta freqüencia dels actuals i futurs satèl.lits de telecomunicació (bandes Ku, K i Ka) entre 12 i 40 GHz, Aquests components han de ser capaços d'oferir tant, respostes clàsiques sencilles com avançades (eliptiques), i que a més a més presenten una capacitat de resintonització (tant en termes de freqüència central com d'amplada de banda). Aquestos nous components pasius donaràn solució a les necesitats dels actuals sistemes espacials, que requereixen de majors taxes de transmissió de dades (senyals de major amplada de banda), així com de major flexibilitat en les frequencies de operació, per oferir en un mateix dispositiu distints serveis i prestacions. Per aquesta raó, es proposen tant modificacions a les estructures del filtres clàsics de microones actuals, com la introducció de noves estructures. Així mateix, també s'investigarà l'us dels tornells d'ajustament post-fabricació dels filtres com a tornells de sintonía metàl.lica i la introducció de tornells de sintonía realitzats amb diferents materials dielèctrics Es pretén, d'aquesta forma, la millora de les respostes del dispositius actuals; reduint la envergadura i els costos de producció (gràcies a la relaxació de les toleràncies de fabricació), abaratint d'aquesta forma la fabricació i futura operació dels filtres mateixos. Aprofitant aquestos nous dispositius es treballarà també en el disseny, fabricaçió i mesura de components més complexes, com poden ser els multiplexors de canal i els commutadors amb resposta selectiva en freqüencia, tots ells necessaris en els sistemes de comunicacions espacials i en íntima relació amb els filtres abans esmenats. Per analitzar, el desenvolupament de tots aquestos dispositius vindrà acompanyat d'una metodologia de disseny basada en l'us del Mapatge Espacial Agressiu (Aggressive Space Mapping, ASM), especialment adaptat als filtres en guia d'ona. / [EN] The main objective of this doctoral thesis is the study, development, design and manufacture of new passive microwave components in waveguide technology, such as filters and multiplexers, that operate in the high frequency bands of current and future telecommunication satellite payloads between 12 and 40 GHz (Ku, K and Ka bands). The new solutions developed must other both classic and advanced (elliptical) responses, as well as the possibility of being reconfigured both in terms of center frequency and bandwidth. The motivation for this research is to address the current and future needs of space communication systems which require higher data rate transmission (that is larger bandwidths), as well as flexibility with respect to the operating frequency to dynamic adaptation to possible changes in user demands. In this context, we propose in this thesis alternative microwave filter structures in metallic waveguide, as well as novel solutions. We explore different approaches to adjust the filter performance, using both traditional metallic tuning screws as well as tuning elements made with dierent dielectric materials. We also advance the state-of-the-art by developing more performing Space Mapping procedures for the design, optimization and tuning of the filter structures that we propose. The objective is to improve the response of the devices and reduce, at the same time, their manufacturing time and costs. As a fundamental element of our work, in addition to theoretical developments, we also apply the findings of our research to the design, manufacture and measurement of a number of more complex components, such as diplexers and integrated switches and filters. They are practical devices to demonstrate the ability of the novel filters that we propose to satisfy the requirements of current and future advanced satellite payloads. / Ossorio García, J. (2021). Development of New Tunable Passive Microwave Components in Waveguide Technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166100

L'objecte d'estudi d'aquesta tesi es centra en la política europea de l'espectre radioelèctric i presta especial atenció a l'harmonització del dividend digital al Regne Unit i Espanya. La metodologia es basa en una revisió bibliogràfica i hemerogràfica completada amb un conjunt d'entrevistes amb representants de diferents organismes de regulació del Regne Unit i Espanya, i de la mateixa Comissió Europea. En la primera part de la tesi es realitza una aproximació conceptual, des d'una vessant tècnica i jurídica, a la xarxa radioelèctrica i al dividend digital, espai alliberat una vegada completada la transició a la TDT. Seguidament, s'aborda la naturalesa, àmbits de regulació de la xarxa radioelèctrica, actors, models i evolució de les formes de gestió. El tercer capítol es centra en la Unió Europea com actor de la política de l'espectre radioelèctric des de mitjans de la dècada dels 80 fins a l'actualitat. En la darrera part de la tesi es descriuen i analitzen les actuacions de la UE destinades a harmonitzar el dividend digital fent especial referència a les conseqüències d'aquesta harmonització sobre les estructures nacionals i la planificació de la TDT en els dos països estudiats, el Regne Unit i Espanya. / El objeto de estudio de esta tesis se centra en la política europea del espectro radioeléctrico y presta una especial atención a la armonización del dividendo digital en el Reino Unido y España. La metodología está basada en una revisión bibliográfica y hemerográfica completada con un conjunto de entrevistas con representantes de diferentes organismos de regulación del Reino Unido y España, y de la misma Comisión Europea. En la primera parte de la tesis se realiza una aproximación conceptual, desde una vertiente técnica y jurídica, a la red radioeléctrica y al dividendo digital, espacio liberado una vez se ha completado la transición a la TDT. Seguidamente, se aborda la naturaleza y ámbitos de la regulación de la red radioeléctrica, sus actores, modelos y evolución de sus formas de gestión. El tercer capítulo se centra en la Unión Europea como actor de la política del espectro radioeléctrico desde mediados de la década de los 80 hasta la actualidad. En la última parte de la tesis se describen y analizan las actuaciones de la UE destinadas a armonizar el dividendo digital y se atiende especialmente a las consecuencias que esta armonización tiene sobre las estructuras nacionales y la planificación de la TDT en los dos países estudiados, el Reino Unido y España. / The object of study of this thesis focuses on the European radio spectrum policy in particular the harmonization of the digital dividend in the United Kingdom and Spain. The methodology is based on a multidisciplinary bibliographic review completed with an in-depth interviews with policy-makers from the national regulatory authorities and the European Commission. The first chapter of the dissertation consists of a conceptual approach of radio spectrum network and the digital dividend, the amount space released once the switch-over is completed. Afterwards, it deals with the nature of spectrum regulation, its actors, models and evolution of spectrum management. Its third chapter focuses on the European Union as a spectrum policy actor from the 80's onwards. Finally, this thesis analyses the EU actions oriented to the harmonisation of the digital dividend, and pays special attention to its consequences on national structures and DTT plans of the United Kingdom and Spain.

El món de les comunicacions per la xarxa elèctrica (CXE) pot ser dividit en tres grans tipus: CXE en baix voltatge (CXE-BV), en mig voltatge (CXE-MV) i en alt voltatge (CXE-AV). En aquests últims anys, les CXE-BV han atret una gran expectació, ja que les seves capacitats han fet d'aquesta tecnologia una bona opció com alternativa pel bucle local d'accés i pel desplegament de xarxes d'àrea local, focalitzades aquestes últimes en l'entorn domèstic. A més, les CXE-BV inclouen un conjunt d'aplicacions de baixa velocitat orientades a l'operador, com la lectura automàtica de comptadors (LAC), distribució de càrrega, facturació dinàmica, etc. Per altra banda, les CXE-MV i CXE-AV, històricament lligades a tasques de telecontrol i teleprotecció, s'estan començant a considerar com un canal de comunicacions eficient i fiable. El desenvolupament de sistemes digitals i els esforços d'estandardització estan fent d'aquests canals un medi atractiu per a que els operadors elèctrics ofereixin serveis de comunicacions, ja que no necessiten invertir en infraestructura perquè la xarxa elèctrica ja està desplegada.En aquesta Tesi s'introduiran i es comentaran les particularitats de les tres xarxes elèctriques, després, es mostraran al lector les solucions tecnològiques existents pels canals de BV basats en la norma Europea CENELEC així com pels canals d'AV, mostrant que els sistemes actuals de LAC ofereixen una diversitat freqüencial molt baixa i que els mòdems CXE-AV estan ancorats en estendards antiquats.Aquest treball es mou per les tres topologies de la xarxa, particularment, en aplicacions orientades a la banda CENELEC, en mesura i modelat de canal, i en mesura i disseny del nivell físic per sistemes CXE-BV, CXE-MV i CXE-AV respectivament. Els sistemes actuals que exploten la banda CENELEC ofereixen mecanismes d'explotació de la diversitat freqüencial del canal molt limitats o nuls, donant lloc a una baixa robustesa en front a interferències i soroll de fons acolorit. Aquest treball proposa un esquema de modulació multiportadora que, mantenint una complexitat baixa, ofereix unes altes prestacions permetent un bon nivell d'explotació de la selectivitat freqüencial. Per al que a CXE-MV respecta, aquesta Tesi desenvolupa un model de canal determinístic-estadístic pels anells urbans de distribució de potència i, finalment, en sistemes CXE-AV, aquest treball proposa, basat en mesures de canal i proves de camp, un nivell físic de banda ampla capaç de incrementar la velocitat de comunicació mentre manté una baixa densitat espectral de potència limitant així la interferència a altres sistemes.PARAULES CLAU: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / El mundo de las comunicaciones por la red eléctrica (CRE) puede ser dividido en tres grandes tipos: CRE en bajo voltaje (CRE-BV), en medio voltaje (CRE-MV) y en alto voltaje (CRE-AV). En estos últimos años, las CRE-BV han atraído una gran expectación, ya que sus capacidades han hecho de esta tecnología una buena opción como alternativa para el bucle local de acceso y para el despliegue de redes de área local, focalizadas estas últimas en el entorno doméstico. Además, las CRE-BV incluyen un conjunto de aplicaciones de baja velocidad orientadas al operador como la lectura automática de contadores (LAC), distribución de carga, facturación dinámica, etc. Por otro lado, las CRE-MV y CRE-AV, históricamente ligadas a tareas de telecontrol y teleprotección, se están empezando a considerar como un canal de comunicaciones eficiente y fiable. El desarrollo de sistemas digitales y los esfuerzos de estandarización están haciendo de estos canales un medio atractivo para que los operadores eléctricos ofrezcan servicios de comunicaciones, ya que no necesitan invertir en infraestructura porque la red eléctrica ya está desplegada.En esta Tesis se introducirán y se comentarán las particularidades de las tres redes eléctricas, luego, se mostrarán al lector las soluciones tecnológicas existentes para los canales de BV basados en la norma Europea CENELEC así como para los canales de AV, mostrando que los sistemas actuales de LAC ofrecen una diversidad frecuencial muy baja y que los módems CRE-AV están anclados en estándares anticuados.Este trabajo se mueve por las tres topologías de red, particularmente, en aplicaciones orientadas a la banda CENELEC, en medida y modelado de canal, y en medida y diseño del nivel físico para sistemas CRE-BV, CRE-MV y CRE-AV respectivamente. Los sistemas actuales que explotan la banda CENELEC ofrecen mecanismos de explotación de la diversidad frecuencial del canal muy limitados o nulos, dando lugar a una escasa robustez frente a interferencias y ruido de fondo coloreado. Este trabajo propone un esquema de modulación multiportadora que, manteniendo una complejidad baja, ofrece unas altas prestaciones permitiendo un buen nivel de explotación de la selectividad frecuencial. Por lo que a CRE-MV respecta, esta Tesis desarrolla un modelo de canal determinístico-estadístico para los anillos urbanos de distribución de potencia y, finalmente, en sistemas de CRE-AV, este trabajo propone, basado en medidas de canal y pruebas de campo, un nivel físico de banda ancha capaz de incrementar la velocidad de comunicación mientras mantiene una baja densidad espectral de potencia limitando así la interferencia a otros sistemas.PALABRAS CLAVE: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters. / The world of Power line communications (PLC) can be divided into three main types: low voltage PLC (LV-PLC), medium voltage PLC (MV-PLC) and high voltage PLC (HV-PLC). These last years, LV-PLC has attracted a great expectation since its wideband capabilities has made this technology a suitable choice for last-mile access and in-home communications. Moreover, LV-PLC also includes a utility oriented low frequency and low speed applications, such as automatic meter reading (AMR), load distribution, dynamic billing and so on. On the other hand, MV-PLC and HV-PLC, historically oriented to teleprotection and telecontrol tasks, are being considered as a reliable communication channel. The development of digital equipment and the standardization efforts are making those channels an attractive medium for electrical utilities telecommunications services, since the network, as well as in LV-PLC, is already deployed. In this PhD dissertation, the three different PLC topologies are reviewed and the different communications techniques in such channels exposed. Then, a deep technological review of existing AMR solutions for the European CENELEC band, as well as HV-PLC systems is given, showing that existing AMR systems deliver low frequency diversity and HV-PLC systems are anchored in old fashioned standards.This work walks around the three topologies, specifically, CENELEC band utility oriented applications, channel measurement and modeling and channel measurement and physical layer design, regarding LV-PLC, MV-PLC and HV-PLC respectively. Existing CENELEC compliant systems deliver low or none frequency diversity mechanisms, yielding in a low robustness against colored noise and interference. This work propose a multicarrier based physical layer approach that, while keeping the complexity low, delivers high performance allowing a great level of frequency diversity. Focusing on MV-PLC, a hybrid deterministic-statistical channel model for urban underground rings is developed and, finally, in HV-PLC systems, this work proposes, based on measurements and field tests, a wideband physical layer in order to increase data rate while keeping low both the power spectral density and possible interference to other systems.KEYWORDS: Power line communications (PLC), low voltage (LV), medium voltage (MV), high voltage (HV), automatic meter reading (AMR), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multicarrier spread spectrum (MC-SS), communication system design, channel measurements, channel modeling, scattering parameters.

Durant l'última dècada, els sistemes classificadors (LCS) d'estil Michigan - sistemes d'aprenentatge automàtic que combinen tècniques de repartiment de crèdit i algorismes genètics (AG) per evolucionar una població de classificadors online- han renascut. Juntament amb la formulació dels sistemes de primera generació, s'han produït avenços importants en (1) el disseny sistemàtic de nous LCS competents, (2) la seva aplicació en dominis rellevants i (3) el desenvolupament d'anàlisis teòriques. Malgrat aquests dissenys i aplicacions importants, encara hi ha reptes complexos que cal abordar per comprendre millor el funcionament dels LCS i per solucionar problemes del món real eficientment i escalable.Aquesta tesi tracta dos reptes importants - compartits amb la comunitat d'aprenentatge automàtic - amb LCS d'estil Michigan: (1) aprenentatge en dominis que contenen classes estranyes i (2) evolució de models comprensibles on s'utilitzin mètodes de raonament similars als humans. L'aprenentatge de models precisos de classes estranyes és crític, doncs el coneixement clau sol quedar amagat en exemples d'aquestes, i la majoria de tècniques d'aprenentatge no són capaces de modelar la raresa amb precisió. La detecció de rareses sol ser complicat en aprenentatge online ja que el sistema d'aprenentatge rep un flux d'exemples i ha de detectar les rareses al vol. D'altra banda, l'evolució de models comprensibles és crucial en certs dominis com el mèdic, on l'expert acostuma a estar més interessat en obtenir una explicació intel·ligible de la predicció que en la predicció en si mateixa.El treball present considera dos LCS d'estil Michigan com a punt de partida: l'XCS i l 'UCS. Es pren l'XCS com a primera referència ja que és l'LCS que ha tingut més influencia fins al moment. L'UCS hereta els components principals de l'XCS i els especialitza per aprenentatge supervisat. Tenint en compte que aquesta tesi especialment se centra en problemes de classificació, l'UCS també es considera en aquest estudi. La inclusió de l'UCS marca el primer objectiu de la tesi, sota el qual es revisen un conjunt de punts que van restar oberts en el disseny del sistema. A més, per il·lustrar les diferències claus entre l'XCS i l'UCS, es comparen ambdós sistemes sobre una bateria de problemes artificials de complexitat acotada.L'estudi de com els LCS aprenen en dominis amb classes estranyes comença amb un estudi analític que descompon el problema en cinc elements crítics i deriva models per facetes per cadascun d'ells. Aquesta anàlisi s'usa com a eina per dissenyar guies de configuració que permeten que l'XCS i l'UCS solucionin problemes que prèviament no eren resolubles. A continuació, es comparen els dos LCS amb alguns dels sistemes d'aprenentatge amb més influencia en la comunitat d'aprenentatge automàtic sobre una col·lecció de problemes del món real que contenen classes estranyes. Els resultats indiquen que els dos LCS són els mètodes més robustos de la comparativa. Així mateix, es demostra experimentalment que remostrejar els conjunts d'entrenament amb l'objectiu d'eliminar la presencia de classes estranyes beneficia, en mitjana, el rendiment de les tècniques d'aprenentatge.El repte de crear models més comprensibles i d'usar mecanismes de raonament que siguin similars als humans s'aborda mitjançant el disseny d'un nou LCS per aprenentatge supervisat que combina les capacitats d'avaluació de regles online, la robustesa mostrada pels AG en problemes complexos i la representació comprensible i mètodes de raonament fonamentats proporcionats per la lògica difusa. El nou LCS, anomenat Fuzzy-UCS, s'estudia en detall i es compara amb una bateria de mètodes d'aprenentatge. Els resultats de la comparativa demostren la competitivitat del Fuzzy-UCS en termes de precisió i intel·ligibilitat dels models evolucionats. Addicionalment, s'usa Fuzzy-UCS per extreure models de classificació acurats de grans volums de dades, exemplificant els avantatges de l'arquitectura d'aprenentatge online del Fuzzy-UCS.En general, les observacions i avenços assolits en aquesta tesi contribueixen a augmentar la comprensió del funcionament dels LCS i en preparar aquests tipus de sistemes per afrontar problemes del món real de gran complexitat. Finalment, els resultats experimentals ressalten la robustesa i competitivitat dels LCS respecte a altres mètodes d'aprenentatge, encoratjant el seu ús per tractar nous problemes del món real. / Durante la última década, los sistemas clasificadores (LCS) de estilo Michigan - sistemas de aprendizaje automático que combinan técnicas de repartición de crédito y algoritmos genéticos (AG) para evolucionar una población de clasificadores online - han renacido. Juntamente con la formulación de los sistemas de primera generación, se han producido avances importantes en (1) el diseño sistemático de nuevos LCS competentes, (2) su aplicación en dominios relevantes y (3) el desarrollo de análisis teóricos. Pese a eso, aún existen retos complejos que deben ser abordados para comprender mejor el funcionamiento de los LCS y para solucionar problemas del mundo real escalable y eficientemente.Esta tesis trata dos retos importantes - compartidos por la comunidad de aprendizaje automático - con LCS de estilo Michigan: (1) aprendizaje en dominios con clases raras y (2) evolución de modelos comprensibles donde se utilicen métodos de razonamiento similares a los humanos. El aprendizaje de modelos precisos de clases raras es crítico pues el conocimiento clave suele estar escondido en ejemplos de estas clases, y la mayoría de técnicas de aprendizaje no son capaces de modelar la rareza con precisión. El modelado de las rarezas acostumbra a ser más complejo en entornos de aprendizaje online, pues el sistema de aprendizaje recibe un flujo de ejemplos y debe detectar las rarezas al vuelo. La evolución de modelos comprensibles es crucial en ciertos dominios como el médico, donde el experto está más interesado en obtener una explicación inteligible de la predicción que en la predicción en sí misma.El trabajo presente considera dos LCS de estilo Michigan como punto de partida: el XCS y el UCS. Se toma XCS como primera referencia debido a que es el LCS que ha tenido más influencia hasta el momento. UCS es un diseño reciente de LCS que hereda los componentes principales de XCS y los especializa para aprendizaje supervisado. Dado que esta tesis está especialmente centrada en problemas de clasificación automática, también se considera UCS en el estudio. La inclusión de UCS marca el primer objetivo de la tesis, bajo el cual se revisan un conjunto de aspectos que quedaron abiertos durante el diseño del sistema. Además, para ilustrar las diferencias claves entre XCS y UCS, se comparan ambos sistemas sobre una batería de problemas artificiales de complejidad acotada.El estudio de cómo los LCS aprenden en dominios con clases raras empieza con un estudio analítico que descompone el problema en cinco elementos críticos y deriva modelos por facetas para cada uno de ellos. Este análisis se usa como herramienta para diseñar guías de configuración que permiten que XCS y UCS solucionen problemas que previamente no eran resolubles. A continuación, se comparan los dos LCS con algunos de los sistemas de aprendizaje de mayor influencia en la comunidad de aprendizaje automático sobre una colección de problemas del mundo real que contienen clases raras.Los resultados indican que los dos LCS son los métodos más robustos de la comparativa. Además, se demuestra experimentalmente que remuestrear los conjuntos de entrenamiento con el objetivo de eliminar la presencia de clases raras beneficia, en promedio, el rendimiento de los métodos de aprendizaje automático incluidos en la comparativa.El reto de crear modelos más comprensibles y usar mecanismos de razonamiento que sean similares a los humanos se aborda mediante el diseño de un nuevo LCS para aprendizaje supervisado que combina las capacidades de evaluación de reglas online, la robustez mostrada por los AG en problemas complejos y la representación comprensible y métodos de razonamiento proporcionados por la lógica difusa. El sistema que resulta de la combinación de estas ideas, llamado Fuzzy-UCS, se estudia en detalle y se compara con una batería de métodos de aprendizaje altamente reconocidos en el campo de aprendizaje automático. Los resultados de la comparativa demuestran la competitividad de Fuzzy-UCS en referencia a la precisión e inteligibilidad de los modelos evolucionados. Adicionalmente, se usa Fuzzy-UCS para extraer modelos de clasificación precisos de grandes volúmenes de datos, ejemplificando las ventajas de la arquitectura de aprendizaje online de Fuzzy-UCS.En general, los avances y observaciones proporcionados en la tesis presente contribuyen a aumentar la comprensión del funcionamiento de los LCS y a preparar estos tipos de sistemas para afrontar problemas del mundo real de gran complejidad. Además, los resultados experimentales resaltan la robustez y competitividad de los LCS respecto a otros métodos de aprendizaje, alentando su uso para tratar nuevos problemas del mundo real. / During the last decade, Michigan-style learning classifier systems (LCSs) - genetic-based machine learning (GBML) methods that combine apportionment of credit techniques and genetic algorithms (GAs) to evolve a population of classifiers online - have been enjoying a renaissance. Together with the formulation of first generation systems, there have been crucial advances in (1) systematic design of new competent LCSs, (2) applications in important domains, and (3) theoretical analyses for design. Despite these successful designs and applications, there still remain difficult challenges that need to be addressed to increase our comprehension of how LCSs behave and to scalably and efficiently solve real-world problems.The purpose of this thesis is to address two important challenges - shared by the machine learning community - with Michigan-style LCSs: (1) learning from domains that contain rare classes and (2) evolving highly legible models in which human-like reasoning mechanisms are employed. Extracting accurate models from rare classes is critical since the key, unperceptive knowledge usually resides in the rarities, and many traditional learning techniques are not able to model rarity accurately. Besides, these difficulties are increased in online learning, where the learner receives a stream of examples and has to detect rare classes on the fly. Evolving highly legible models is crucial in some domains such as medical diagnosis, in which human experts may be more interested in the explanation of the prediction than in the prediction itself.The contributions of this thesis take two Michigan-style LCSs as starting point: the extended classifier system (XCS) and the supervised classifier system (UCS). XCS is taken as the first reference of this work since it is the most influential LCS. UCS is a recent LCS design that has inherited the main components of XCS and has specialized them for supervised learning. As this thesis is especially concerned with classification problems, UCS is also considered in this study. Since UCS is still a young system, for which there are several open issues that need further investigation, its learning architecture is first revised and updated. Moreover, to illustrate the key differences between XCS and UCS, the behavior of both systems is compared % and show that UCS converges quickly than XCS on a collection of boundedly difficult problems.The study of learning from rare classes with LCSs starts with an analytical approach in which the problem is decomposed in five critical elements, and facetwise models are derived for each element. The analysis is used as a tool for designing configuration guidelines that enable XCS and UCS to solve problems that previously eluded solution. Thereafter, the two LCSs are compared with several highly-influential learners on a collection of real-world problems with rare classes, appearing as the two best techniques of the comparison. Moreover, re-sampling the training data set to eliminate the presence of rare classes is demonstrated to benefit, on average, the performance of LCSs.The challenge of building more legible models and using human-like reasoning mechanisms is addressed with the design of a new LCS for supervised learning that combines the online evaluation capabilities of LCSs, the search robustness over complex spaces of GAs, and the legible knowledge representation and principled reasoning mechanisms of fuzzy logic. The system resulting from this crossbreeding of ideas, referred to as Fuzzy-UCS, is studied in detail and compared with several highly competent learning systems, demonstrating the competitiveness of the new architecture in terms of the accuracy and the interpretability of the evolved models. In addition, the benefits provided by the online architecture are exemplified by extracting accurate classification models from large data sets.Overall, the advances and key insights provided in this thesis help advance our understanding of how LCSs work and prepare these types of systems to face increasingly difficult problems, which abound in current industrial and scientific applications. Furthermore, experimental results highlight the robustness and competitiveness of LCSs with respect to other machine learning techniques, which encourages their use to face new challenging real-world applications.

Els mètodes de verificació formal s'estan usant cada vegada més en la indústria per establir la correctessa i trobar els errors en models de sistemes; per exemple la descripció de hardware, protocols, programes distribuïts, etc. En particular, els verificadors de models ho fan automàticament per sistemes d'estats finits, per-o estan limitats degut al problema de l'explosió d'estats; i la verificació formal interactiva, l'àrea d'aquesta tesi, es necessita.L'enfocament de la verificació automàtica treballa sobre el sistema de transicions del model, el qual defineix la seva semàntica. Aquest sistema de transicions té sovint molts estats, i sempre una mida gran comparada amb la mida del model del sistema, el qual és sempre infinit. Aquestes consideracions suggereixen un enfocament de verificació estàtica com els d'aquesta tesi, evitant els sistemes de transicions, treballant directament sobre el model del sistema, en principi, la complexitat computacional hauria de ser menor. L'enfocament estàtic d'aquest treball es fa sobre models de sistemes expressats en notació imperativa amb paral·lelisme explícit, sentències de comunicacions síncrones i variables d'emmagatzematge locals.Els raonaments d'equivalència són molt empleats per números, matrius i altres camps. Tanmateix, per programes imperatius amb paral·lelisme, comunicacions i variables, encara que potencialment sigui un mètode de verificació molt intuïtiu, no han estat massa explorats. La seqüencialització formal via l'eliminació de comunicacions internes, l'àrea d'aquesta tesi, és una demostració basada en el raonament estàtic d'equivalències que, donat que disminueix la magnitud del vector d'estats, pot complementar altres mètodes de demostració. Es basa en l'aplicació d'un conjunt de lleis , apropiades per tal propòsit, com reduccions de reescriptura del model del sistema. Aquestes depenen de la noció d'equivalència i de les suposicions de justícia.Aquesta tesi contribueix a la quasi inexplorada àrea de l'eliminació de comunicacions formal i seqüencialització de models de sistema. Les lleis estan definides sobre una equivalència feble: equivalència d'interfície. L'eliminació de comunicacions est-a limitada a models sense seleccions, per exemple models en els quals les comunicacions internes no estan dins de l'àmbit de sentències de selecció. Aplicacions interessants existeixen dins d'aquest marc. Les lleis són vàlides només per justícia feble o sense justícia. Aquesta ha estat desenvolupada seguint la semàntica proposada per Manna i Pnueli per a sistemes reactius [MP91, MP95]. S'han formulat les condicions d'aplicabilitat per les lleis de la pròpia eliminació de comunicacions. A més a més, es proposa un procediment de construcció de demostracions per l'eliminació de comunicacions, el qual intenta aplicar automàticament les lleis de la eliminació. També s'ha dissenyat un conjunt de procediments de transformació, els quals garanteixen que la transformació equivalent sempre correspon a l'aplicació d'una seqüència de lleis. Degut a que la construcció de les demostracions és impracticable, normalment impossible, sense l'ajuda d'una eina, s'ha desenvolupat un demostrador interactiu per la construcció semiautomàtica de la seqüencialització de models de sistemes i demostracions d'eliminació. Tant els procediments de transformació com els de l'eliminació de comunicacions estan integrats en l'eina. Amb l'ajuda del demostrador s'ha construït la demostració de seqüencialització d'un model, no trivial, de processador pipeline. Per aquest exemple s'ha assolit una reducció, respecte del model original, de la cota superior del nombre d'estats de 2−672.Malgrat l'enorme quantitat d'esforç dedicat a l'àrea, abans i durant la tesi, encara queda molt treball per a que l'eliminació de comunicacions i la seqüencialització sigui realment un mètode pràctic. No obstant els resultats d'aquesta tesi han establert els fonaments i han donat l'estímul necessari per continuar l'esforç. / Los métodos de verificación formal se están usando cada vez más en la industria para establecer la corrección y encontrar los errores en modelos de sistemas; por ejemplo, la descripción de hardware, protocolos, programas distribuidos, etc. En particular, los verificadores de modelos lo hacen automáticamente para sistemas de estados finitos, pero están limitados debido al problema de la explosión de estados; y la verificación formal interactiva, el área de esta tesis, es necesaria.El enfoque de la verificación automática trabaja sobre el sistema de transiciones del modelo, el cual define su semántica. Este sistema de transiciones tiene a menudo muchos estados, y siempre un tamaño grande comparado con el tamaño del modelo del sistema, el cual es siempre infinito. Estas consideraciones sugieren un enfoque de verificación estática como los de esta tesis, evitando los sistemas de transiciones, trabajando directamente sobre el modelo del sistema, en principio, la complejidad computacional tendría que ser menor. El enfoque estático de este trabajo se lleva a cabo sobre modelos de sistemas expresados en notación imperativa con paralelismo explícito, sentencias de comunicaciones síncronas y variables de almacenamiento locales.Los razonamientos de equivalencia son muy empleados para números, matrices y otros campos. Sin embargo, para programas imperativos con paralelismo, comunicaciones y variables, aún teniendo la potencialidad de ser un método de verificación muy intuitivo, no han sido muy explorados. La secuencialización formal vía la eliminación de comunicaciones internas, el área de esta tesis, es una demostración basada en el razonamiento estático de equivalencias que, ya que disminuye la magnitud del vector de estados, puede complementar otros métodos de demostración. Se basa en la aplicación de un conjunto de leyes, apropiadas para tal propósito, como reducciones de reescritura del modelo del sistema. Éstas dependen de la noción de equivalencia y de las suposiciones de justicia.Esta tesis contribuye a la casi inexplorada área de la eliminación de comunicaciones formal y secuencialización de modelos de sistema. Las leyes están definidas sobre una equivalencia débil: equivalencia de interfaz. La eliminación de comunicaciones está limitada a modelos sin selecciones, por ejemplo modelos en los cuales las comunicaciones internas no están dentro del ámbito de sentencias de selección. Aplicaciones interesantes existen dentro de este marco. Las leyes son válidas sólo para justicia débil o sin justicia. Ésta ha sido desarrollada siguiendo la semántica propuesta por Manna y Pnueli para sistemas reactivos [MP91, MP95]. Se han formulado las condiciones de aplicabilidad para las leyes de la propia eliminación de comunicaciones. Además, se propone un procedimiento de construcción de demostraciones para la eliminación de comunicaciones, el cual intenta aplicar automáticamente las leyes de la eliminación. También se ha diseñado un conjunto de procedimientos de transformación, los cuales garantizan que la transformación equivalente siempre corresponde a la aplicación de una secuencia de leyes. Debido a que la construcción de las demostraciones es impracticable, normalmente imposible, sin la ayuda de una herramienta, se ha desarrollado un demostrador interactivo para la construcción semiautomática de la secuencialización de modelos de sistemas y demostraciones de eliminación. Tanto los procedimientos de transformación como los de la eliminación de comunicaciones están integrados en la herramienta. Con la ayuda del demostrador se ha construido la demostración de secuencialización de un modelo, no trivial, de procesador pipeline. Para este ejemplo se ha logrado una reducción, respecto del modelo original, de la cota superior del número de estados de 2−672.A pesar de la enorme cantidad de esfuerzo dedicado al área, antes y durante esta tesis, todavía queda mucho trabajo para que la eliminación de comunicaciones y la secuencialización sea realmente un método práctico. Sin embargo los resultados de esta tesis han establecido los cimientos y han dado el estímulo necesario para continuar el esfuerzo. / Formal verification methods are increasingly being used in industry to establish the correctness of, and to find the flaws in, system models; for instance, descriptions of hardware, protocols, distributed programs, etc. In particular, model checking does that automatically for finite-state systems, but it is limited in scope due to the state explosion problem; and interactive formal verification, the broad area of this thesis, is needed.Automatic verification approaches work on the transition system of the model, which defines its semantics. This transition system has often infinitely many states, and always a large size compared to the size of the system model, which is always finite. These considerations suggest that static verification approaches such as those of this thesis, avoiding the transition system, working directly on the system model would have less computational complexity, in principle. The static approach of this work is carried out on system models expressed in imperative notations with explicit parallelism and synchronous communication statements, and with local storage variables.Equivalence reasoning is heavily used for numbers, matrices, and other fields. However, for imperative programs with parallelism, communications, and variables, although having the potentiality of being a very intuitive verification method, it has not been much explored. Formal sequentialization via internal communication elimination, the area of this thesis, is a static equivalence reasoning proof that, since it decreases the size of the state vector, could complement other proof methods. It is based on the application of a set of laws, suitable for that purpose, as rewriting reductions to a system model. These proofs need both proper communication elimination laws and auxiliary basic laws. These depend on the notion of equivalence and on the fairness assumptions.This thesis contributes to the almost unexplored area of formal communication elimination and system model sequentialization. The laws are defined over a weak equivalence: interface equivalence. Communication elimination is confined to selection-free models, i.e. models none of whose inner communications are within the scope of selection statements. Interesting applications already exist within this framework. The laws are valid only with weak fairness or no fairness. It has been developed following the same semantics as Manna and Pnueli for reactive systems [MP91, MP95]. Applicability conditions for the proper communication elimination laws are derived. In addition, a communication elimination proof construction procedure, which attempts to apply the elimination laws automatically is proposed. A set of transformation procedures, guaranteeing that the equivalence transformation always corresponds to the application of a sequence of laws have been designed as well. Since the construction of elimination proofs is impractical, even impossible, without a tool, an interactive prover for semi-automatic construction of system model sequentialization and elimination proofs has been developed. Both transformation and communication elimination procedures are integrated within the tool. As a non-trivial example, a sequentialization proof of a pipelined processor model, has been constructed with the help of the prover. Areduction, with respect to the original model, of 2−672 on the upper bound on the number of states has been achieved in this example.In spite of the huge amount of effort already devoted to the area, before and during this thesis, much work still needs to be done until communication elimination and sequentialization become a practical method. Nevertheless the results of this thesis have established its foundations and given the necessary encouragement for continuing the effort.

Es presenta un esquema únic per a la síntesi i anàlisi audiovisual personalitzable realista de seqüències audiovisuals de cares parlants i seqüències visuals de llengua de signes en àmbit domèstic. En el primer cas, amb animació totalment sincronitzada a través d'una font de text o veu; en el segon, utilitzant la tècnica de lletrejar paraules mitjançant la ma. Les seves possibilitats de personalització faciliten la creació de seqüències audiovisuals per part d'usuaris no experts. Les aplicacions possibles d'aquest esquema de síntesis comprenen des de la creació de personatges virtuals realistes per interacció natural o vídeo jocs fins vídeo conferència des de molt baix ample de banda i telefonia visual per a les persones amb problemes d'oïda, passant per oferir ajuda a la pronunciació i la comunicació a aquest mateix col·lectiu. El sistema permet processar seqüències llargues amb un consum de recursos molt reduït, sobre tot, en el referent a l'emmagatzematge, gràcies al desenvolupament d'un nou procediment de càlcul incremental per a la descomposició en valors singulars amb actualització de la informació mitja. Aquest procediment es complementa amb altres tres: el decremental, el de partició i el de composició. / Se presenta un esquema único para la síntesis y análisis audiovisual personalizable realista de secuencias audiovisuales de caras parlantes y secuencias visuales de lengua de signos en entorno doméstico. En el primer caso, con animación totalmente sincronizada a través de una fuente de texto o voz; en el segundo, utilizando la técnica de deletreo de palabras mediante la mano. Sus posibilidades de personalización facilitan la creación de secuencias audiovisuales por parte de usuarios no expertos. Las aplicaciones posibles de este esquema de síntesis comprenden desde la creación de personajes virtuales realistas para interacción natural o vídeo juegos hasta vídeo conferencia de muy bajo ancho de banda y telefonía visual para las personas con problemas de oído, pasando por ofrecer ayuda en la pronunciación y la comunicación a este mismo colectivo. El sistema permite procesar secuencias largas con un consumo de recursos muy reducido gracias al desarrollo de un nuevo procedimiento de cálculo incremental para la descomposición en valores singulares con actualización de la información media. / A shared framework for realistic and personalizable audiovisual synthesis and analysis of audiovisual sequences of talking heads and visual sequences of sign language is presented in a domestic environment. The former has full synchronized animation using a text or auditory source of information; the latter consists in finger spelling. Their personalization capabilities ease the creation of audiovisual sequences by non expert users. The applications range from realistic virtual avatars for natural interaction or videogames to low bandwidth videoconference and visual telephony for the hard of hearing, including help to speech therapists. Long sequences can be processed with reduced resources, specially storing ones. This is allowed thanks to the proposed scheme for the incremental singular value decomposition with mean preservation. This scheme is complemented with another three: the decremental, the split and the composed ones.