Wireless sensor networks are used in many different applications due to their favorableproperties, such as low cost, low power consumption and ease in deployment. One sucharea where they have gained popularity is data collection. Here, there are many readingsbeing collected by sensor nodes that need to be aggregated for further processing. Severalalgorithms exist for decentralized monitoring of aggregates, but the two that stand outamongst the rest are tree-based protocols and gossip-based protocols. In this thesis, wecompare the performance of the Collection Tree Protocol (CTP) to two different gossipalgorithms: pairwise randomized gossip and broadcast gossip. Performance is measuredin terms of the total number of messages transmitted because this corresponds to theamount of power consumed for aggregation. CTP is a routing protocol that is used inreal WSN deployments and is implemented in the TinyOS operating system. One of themain questions of interest in this thesis is what is the cost of setting up and maintaining aspanning tree using CTP in environments where links are lossy or they fail. In order for CTPto form the spanning tree or for randomized gossip to exchange messages, nodes need toknow their neighbors. Therefore we look into neighborhood discovery techniques to accountfor the number of messages transmitted for this purpose. Furthermore, we employ a lossywireless link model. Simulations show that CTP for data aggregation outperforms pairwiserandomized gossip in all simulation settings for different network sizes and different linkfailure probabilities. Broadcast gossip and CTP perform quite similarly in small networksunder certain node initializations, but broadcast gossip is much better than CTP andtransmits a smaller number of messages in large networks. / Les réseaux de capteurs sans fil sont utilisés dans de nombreuses applications en raison de leurs abondants atouts, tels que leur faible coût, leur faible consommation d'énergie ainsi que la facilité de leur déploiement. Le domaine des applications de collecte de données est probablement celui où les réseaux de capteur sans fil ont gagné le plus en popularité lors de la dernière décennie. Dans le domaine des applications de collecte de données, il s'agit de recueillir de nombreuses lectures par les capteurs puis ultèrieurement les regrouper et les analyser. Plusieurs algorithmes existent pour le suivi décentralisé des données, mais les deux qui se démarquent du reste sont des protocoles fondés sur les arborescences et les protocoles décentralisés de passage de messages. Dans cette thèse, nous comparons les performances du protocole basé sur les arborescences (CTP) à deux protocoles décentralisés de passage de messages différents: le premier concerne le passage décentralisé des informations par des communications entre des paires de senseurs, le deuxième est celui de passage décentralisé de l'information par diffusion au niveau du réseau. La performance est mesurée en termes du nombre total de messages transmis, car cela correspond à la quantité d'énergie consommée pour regrouper l'information des senseurs. CTP (de l'anglais Collection Tree Protocol) ou protocole basé sur des arborescences est un protocole de routage qui est utilisé dans les déploiements des réseaux de senseur sans fil et est implémentée dans le système d'exploitation TinyOS. Une des principales questions d'intérêt dans cette thèse est quel est le coût de la mise en place et le maintien d'un arbre couvrant le réseau dans des environnements où des liens sont à perte. Afin de former l'arbre de recouvrement ou pour effectuer le passage décentralisé des informations par paires de senseurs, les noeuds ont besoin de connâitre leurs voisins. Par conséquent, nous nous penchons sur les techniques de découverte de voisinage afin de pouvoir savoir le nombre des messages transmis à cet effet. En outre, nous employons un modèle de réseau sans fil avec perte. Les simulations montrent que pour la collecte et les regroupements des données, la technique basée sur une arborescence surpasse celle de passage décentralisée des informations par paires de senseurs dans tous les scénarios de simulation, pour différentes tailles de réseaux et différentes probabilités de défaillance des liens. La comparaison entre la technique de passage décentralisée de l'information par diffusion et la technique basée sur une arborescence donne des résultats assez similaires dans les réseaux de petite taille et pour certains types d'initialisation. Par contre, l'avantage des algorithmes de passage décentralisés de l'information par diffusion est le petit nombre de messages transmis lorsque la taille des réseaux devient plus importante.

New information technologies demand flexible optical networks. Optical space switches offer efficient transmission capacity useful for those applications. High bandwidth and low drive voltage modulation are advantages of the optical space switches. The objective of this research is to optimize the doping profile in the waveguide to maximize the electro-optic effect while at the same time minimizing the optical losses. Double heterostructure semiconductor waveguides was used for optical switch devices. The best combination of the extinction ratio, power efficiency and overall switch dimensions was found in an optical switch with the 10¹⁸cm⁻³-doped Al0.06Ga0.94As-upper-cladding, 10¹⁵cm⁻³-doped GaAs-core and 10¹⁸cm⁻³-doped Al0.06Ga0.94As lower-cladding. Devices with claddings made of aluminum gallium arsenide with higher Al contents were found to lack the extinction ratios needed for telecommunication switching applications. / Les nouvelles technologies demandent des réseaux optiques flexibles. Les commutateurs optiques offrent une capacité de transmission efficace et utile pour ces applications. La large bande passante et le faible voltage de modulation sont les avantages des commutateurs optiques en espace. L'objectif de cette recherche est d'optimiser le profil de dopage dans le guide afin de maximiser l'effet d'électro-optique tout en minimisant les pertes optiques. Les guides d'ondes semi-conducteurs à hétérostructure double ont été utilisés pour les appareils de commutation optique. La meilleure combinaison du ratio d'extinction, d'efficacité de puissance et des dimensions globales des commutateurs a été trouvée dans un commutateur optique avec le dessus-revêtement (10¹⁸cm⁻³-dopé Al0.06Ga0.94As), le guide d'onde (10¹⁵cm⁻³-GaAs dopé) et le dessous-revêtement (10¹⁸cm⁻³-Al0.06Ga0.94As dopé). Les appareils avec des revêtements en arséniure de gallium aluminium avec des teneurs en hautes Al n'ont pas des ratios d'extinction nécessaires pour les applications de commutation des télécommunications.

In regions with increasing penetration of variable-speed wind generators, grid operators are concerned about frequency security as system inertia is decreasing. The partial replacement of conventional plants with modern wind plants may cause system frequency regulation to fall below acceptable levels, especially in isolated power systems. This study investigates the contribution of variable-speed wind generators to short-term frequency support. This contribution is obtained by transiently releasing part of the stored kinetic energy in the turbine blades, namely the inertial response. Some inertial response schemes have been researched to be incorporated as auxiliary loops in the controllers of wind generators. First, we compare the performance of these earlier implementations and identify their shortcomings. Then, we quantify the extractable inertial power from a modern wind turbine, given its power characteristic, equivalent inertia, and prevailing wind condition. From this understanding, a new controller, based on the asynchronous release of kinetic energy, is proposed to achieve a superior, more controllable performance. The controller is composed of a 'detection and triggering' scheme that detects the frequency event, a 'power shaping' function that decides the duration and amount of inertial power released, and a 'rotor speed recovery' scheme that brings the turbine back to its optimal speed which corresponds to maximum power tracking. Time-domain simulations were performed to examine the performance of this controller. Based on its impact on system frequency and wind farm operation, the new controller was compared to earlier implementations of wind plant inertial response. The results show that the proposed controller is capable of bringing together the advantages of the different earlier implementations for better grid integration of wind turbine generators. Its effectiveness in reducing the initial frequency fall after a load-generation mismatch promises significant contribution to system inertia. Its controllable, predictable nature is a distinct advantage that enables grid operators to understand, forecast and quantify the impact of incorporating this controller into grid-connected wind generators. / Dans les régions à forte pénétration d'éoliennes à vitesse variable, les opérateurs de réseau sont concernés par la sécurité de la fréquence lorsque l'inertie du système décroît. La substitution partielle d'usines conventionnelles par des usines éoliennes modernes pourrait causer le réglage de la fréquence du système à chuter sous des niveaux acceptables, surtout dans le cas de systèmes d'alimentation isolés. Cette étude se penche sur comment les éoliennes à vitesse variable peuvent contribuer au support de la fréquence à court terme. Cette contribution est obtenue grâce au relâchement transitoire d'une partie de l'énergie cinétique contenue dans les aubes de turbine, plus spécifiquement la réponse transitoire. Quelque programmes de réponse inertielle ont été étudiés afin d'être incorporés comme boucle auxiliaire dans les contrôles des génératrices à vent. En premier lieu, on compare la performance d'implémentations préexistantes entre-elles afin d'en identifier les défauts respectifs. En second lieu, on quantifie la puissance inertielle capable d'être extraite d'une génératrice à vent moderne tout en prenant en considération les caractéristiques de puissance, son inertie équivalente ainsi que les conditions de vent dominantes. Avec cette notion, un nouveau régulateur qui est basé sur un relâchement non-synchronisé d'énergie cinétique est proposé afin d'obtenir une performance supérieure et plus contrôlable. Le contrôleur est composé d'un programme de «détection et déclenchement» qui détecte la variation de la fréquence, d'une fonction «formatrice de puissance» qui calcule la durée ainsi que la quantité de puissance cinétique relâchée, et d'un programme de «récupération de vitesse du rotor» qui ramène la turbine à sa vitesse optimale qui correspond au suivi de la vitesse maximale. Des simulations dans le domaine du temps ont été effectuées afin d'examiner la performance du régulateur. À partir de son impact sur la fréquence du système et l'opération de plants éolien, le nouveau contrôleur a été comparé aux implémentations antérieures de réponse inertielle d'usines de vent. Les résultats démontrent que le contrôleur proposé est capable d'unifier les avantages des implémentations précédentes afin d'avoir une meilleure intégration des éoliennes. Sa capacité de réduire la chute de fréquence initiale qui suit un décalage au niveau de la génération de charge promet une contribution significative sur l'inertie du système. En fait, sa nature contrôlable et prévisible lui donne un avantage distinct qui permet aux opérateurs de réseau de pouvoir comprendre, prédire et quantifier l'impact potentiel de l'implémentation de ce régulateur dans des génératrices à vent connectées au réseau.

The nonlinear Schrödinger equation can be solved by split-step methods, where in each step, linear dispersion and nonlinear effects are treated separately in a sequential manner. This thesis investigates the optimal design of an finite-impulse-response (FIR) filter as the time-domain implementation for the linear part. The objective is to minimize the integral of the squared error between the frequency response of the FIR filters and the desired dispersion characteristics over the band of interest. This least square (LS) problem is solved in two approaches: the normal equation approach gives an explicit solution and its Toeplitz structure enables fast computation; the singular value decomposition (SVD) approach provides geometrical, physical and numerical insights based on the theory of discrete prolate spheroidal sequence (DPSS). A major concern is that as revealed by the theory of DPSS, this problem could be ill-conditioned, and henceforth its solution would be sensitive to small perturbations. Besides, the frequency response might exhibit singular behaviors such as overshoots. Two approaches are proposed to mitigate these shortcomings: the unconstrained LS approach adds a regularization term to the objective function, whereas the constrained approach also imposes a maximum magnitude constraint on the frequency response. The latter approach is formulated into a standard quadratically constrained quadratic programming (QCQP) problem that can be readily solved using state-of-the-art interior-point methods. Compared with previously designed FIR filters, these filters are easier to extract and the QCQP-based filter saves the filter length by at least 1/3. There is a complexity trade-off between these two filters: the unconstrained regularized LS filter is much easier to extract with the help of the modified Levinson-Durbin algorithm; the QCQP-based filter is shorter in length and saves computational complexity of the linear convolutions. The choice depends on whether the filter needs to be regenerated frequently or not. In addition, the required filter lengths for these filters are approximately linear functions of several parameters, which simplifies the task of choosing step size.We verify the feasibility of the proposed filters in two categories of applications. Firstly, they can be used in the time-domain simulation of pulse propagation in optical fiber. For single channel and WDM channels, the proposed filters generate similar outputs as previous time-domain and frequency-domain methods, even after propagating thousands of kilometers. The proposed designs, together with overlap-add and overlap-save, can reduce the overall computational complexity significantly. Secondly, the proposed filters can also be applied in time-domain digital backpropagation algorithms for fiber impairment compensation. Numerical simulations of a polarization division multiplexed quadrature phase-shift keying (PDM-QPSK) transmission system illustrate that the split-step methods based on the proposed filters are able to effectively mitigate the signal distortions caused by both dispersion and nonlinearities. / L'équation de Schrödinger non linéaire peut être résolue par des méthodes split-étape, où à chaque étape, la dispersion linéaire et les effets non linéaires sont traités séparément de manière séquentielle. Cette thèse étudie la conception optimale d'un filtre finis à réponse impulsionnelle (FIR) en tant que mise en œuvre dans le domaine temporel pour la partie linéaire. L'objectif est de minimiser l'intégrale de l'erreur quadratique entre la réponse fréquentiel du FIR et les caractéristiques de dispersion souhaitées sur la bande d'intérêt. Ce problème de moindres carrés (LS) est résolu en deux approches: l'approche équation normale donne une solution explicite et sa structure de Toeplitz permet le calculer rapide; la décomposition en valeurs singulières (SVD) fournit un point de vue géométrique, physique et numérique basé sur la théorie de la séquence discrète sphéroïdale prolate (DPSS). Une préoccupation majeure est que, comme révélé par la théorie de la DPSS, ce problème pourrait être mal conditionné, et désormais sa solution serait sensible aux petites perturbations. Par ailleurs, la réponse en fréquence peut manifester des comportements singuliers tels que les dépassements. Deux approches sont proposées pour atténuer ces lacunes: l'approche LS contrainte ajoute un terme de régularisation de la fonction objectif, alors que l'approche contrainte impose aussi une contrainte magnitude maximale sur la réponse fréquentielle. Cette dernière approche est formulée dans une norme quadratique contrainte quadratique de programmation (QCQP) problème qui peut être facilement résolu en utilisant l'état de l'art méthodes de points intérieurs. Comparé à des filtres FIR qui est déjà conçu, ces filtres sont plus faciles à extraire et le filtre à base QCQP économise la longueur du filtre par au moins 1 / 3. Il y a une complexité compromis entre ces deux filtres: la contrainte régularisé LS filtre est beaucoup plus facile à extraire à l'aide de la modification de algorithme de Levinson-Durbin; le filtre basé QCQP est plus court dans la longueur et la complexité des calculs sauve des circonvolutions linéaires. Le choix dépend si le filtre doit être régénéré fréquemment ou pas. En outre, les longueurs requises du filtre pour ces filtres sont des fonctions approximativement linéaires de plusieurs paramètres, ce qui simplifie la tâche du choix de la longueur de l'étape. Nous vérifions la faisabilité des filtres proposés dans deux catégories d'applications suivantes. Premièrement, ils peuvent être utilisés dans la simulation dans le domaine temporel de la propagation des impulsions dans les fibres optiques. Pour un seul canal et des canaux WDM, les filtres proposés génèrent des sorties similaires à celles des méthodes précédentes dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel, même après la propagation de milliers de kilomètres. Les conceptions proposées, avec overlap-add et over-save peut réduire la complexité globale du calcul de façon significative. Deuxièmement, les filtres proposés peuvent également être appliqués dans le domaine temporel des algorithmes numériques rétro propagation d'indemnisation dépréciation de la fibre. Les simulations numériques d'une division polarisation en quadrature multiplexés déphasage système de transmission de saisie (PDM-QPSK) montrent que les méthodes de partage des étapes basées sur les filtres proposés sont en mesure d'atténuer efficacement les distorsions du signal causé par la dispersion et les non-linéarités.

The last decade has witnessed an explosive growth in internet protocol, packet based traffic. Although long-haul fiber backbone networks provide capacities on the order of Tb/s, a bottleneck at the access network has arisen due to electronic domain signal processing. Recent developments in optical multiprotocol label switching (MPLS) access networks promise to remove this bottleneck and allow Gb/s capacities per user and satisfy foreseeable future bandwidth requirements. / This thesis introduces an optical MPLS network where packet payloads are wavelength multiplexed and labels correspond to spectral optical code division multiple access codes. Using this network, we examine payload and label processing issues in nodes as packets transit through the core network. We develop a software package to model data traffic flow in a node, where reduced sets of realistic wavelength converters are used to mitigate payload wavelength contentions. Furthermore, we successfully demonstrate an all-photonic label switching system to convert (7,4) spectral m-sequence labels using commercially available optical components.

In recent years, new and novel forms of computation employing different natural phenomena such as the spin of atoms or the orientation of protein molecules have been proposed and are in the very initial stages of development. One of the most promising of these new computation techniques is quantum computing that employs various physical effects observed at the quantum level to provide significant improvement in certain computation tasks such as data search and factorization. An assortment of software-based simulators of quantum computers have been developed recently to assist in the development of this new computation process. However, efficiently simulating quantum algorithms at the software level is quite challenging since the algorithms have exponential run-times and memory requirements. Furthermore, the sequential nature of software-based computation makes simulating the parallel nature of quantum computation exceedingly difficult. In this thesis, the first hardware-based quantum algorithm emulation technique is presented. The emulator uses FPGA technology to model quantum circuits. Parallel computation available at the hardware level allows considerable speed-up as compared to the state-of-the-art software simulators as well as provides a greater insight into precision requirements for simulating quantum circuits.

Parison length control in extrusion blow molding of plastic parts has been studied and attempted for the past quarter-century. Most methods used involve cycle-to-cycle control where the next part shows an improvement over the previous one using either weight measurement of the part or a simple photocell initiating the cutting of the parison. In the present thesis, plant models are developed using a control engineering technique called system identification. Since the process model thus determined is based on experimental data, sag and swell of the parison are implicitly taken into account. Furthermore, an in-cycle robust controller is designed and simulated where the die gap opening and the extrusion speed are adjusted as the parison is being extruded. The outlined control strategy focuses on controlling the parison length against process disturbances and machine drifts. The control system thus obtained is then reduced to two single-input single-output controllers for potential implementation on the extruder machine employed throughout the research.

This thesis presents methods and practical implementations for compensating or suppressing signal distortions induced by fiber nonlinearity in long-distance transmissions. Our methods take advantage of the availability and already wide deployment of dispersion-compensating fibers with various choices of dispersions and dispersion slopes. The basic principle behind the methods is to choose suitable fibers and to arrange them properly into transmission lines manifesting scaled symmetries. Based on the nonlinear Schrodinger equation which describes the nonlinear and dispersive signal propagation in optical fibers, we have shown analytically that a scaled symmetry renders the nonlinear signal distortion by the first part of a transmission line to be largely undone by the second part, when an optical phase conjugator is installed in the middle of the line. Without a phase conjugator, the most detrimental nonlinear interactions among pulses within a wavelength channel may be significantly suppressed in a scaled symmetric line. We have identified two types of scaled symmetries: mirror and translation. Although mirror-symmetric systems have been discussed by other authors before, our own proposals and designs using high-dispersion fibers in conjunction with distributive Raman or erbium-doped amplification could make practical transmission systems manifesting nearly perfect mirror symmetries in the scaled sense and hence excellent nonlinear compensations. Firstly noted and investigated thoroughly by us, the concept of scaled translation symmetries in transmission lines may well spur the adoption of nonlinear compensation methods in practical transmission systems, since distributive amplifiers are no longer necessary for translation symmetries. To support our mathematical analyses, extensive computer simulations have been carried out to validate the effectiveness of our proposed systems, most of which assume practical system setups and parameters and could therefore serve as paradigms for real system designs.

Microwave imaging has been proposed as a possible complimentary imaging technique to X-ray mammography for early-stage breast cancer detection and screening. Based on the intrinsic differences in the various tissues of the breast at microwave frequencies, microwave imaging offers an imaging modality that is safe, pain-free, and without limitations on the frequency of the exam.An initial time domain microwave imaging system has been previously developed within our group. Accurate numerical models, for finite-difference time-domain simulations, matched to the experimental system have been developed. Numerical simulations are used to assess the safety of the microwave imaging technique. We calculate the maximum energy absorbed by the breast when exposed to incident microwaves and ensure that these values fall within the established thresholds.In this thesis we will test our hypothesis that an augmented microwave imaging system can improve tumour detection by making use of custom-made pulses with critical frequency content. We integrate passive microwave circuitry with a previously designed experimental microwave imaging system in order to create a new system that transmits an optimized pulse. We contrast measurement results of this newly developed system with those of the previously developed experimental system when imaging various tissue phantoms. / L'imagerie micro-ondes a été proposée comme une nouvelle technique pour la détection du cancer du sein qui est complémentaire au mammographie. Cette technique est basée sur les differences intrinsèques des tissus mammaires différents à des frequences micro-ondes. L'imagerie mirco-onde est une technique qui est sûr, sans douleur, et sans limitations sur la fréquence de l'examen.Un système préliminaire pour l'imagerie micro-ondes dans le domaine temporel a déjà été mis au point. Des modèles numériques précis , pour les simulations avec la "finite-difference time-domain" technique, qui sont en accorde avec la système expérimental sont construit.Des simulations sont utilisé pour évaluer la sécurité de la technique d'imagerie micro-ondes. Nous calculons le maximum d'énergie absorbée par le sein quand il est exposé aux micro-ondes incidentes et nous s'assure que les résultats sont en accord avec les normes établis. Dans cette thèse, nous allons tester notre hypothèse que un système d'imagerie micro-ondes augmentée peut améliorer la détection des cancers en utilisant des impulsions fait sur-mesure. Nous utilisons des circuits micro-ondes passives, avec le système déjà développé, pour créer un nouveau système qui transmet un impulsion optimisé. On compare les résultats de nos mesures avec les deux systèmes quand on utilise des fantômes de tissus divers.

As electric power systems continue to grow to meet ever-increasing energydemand, their security, reliability, and sustainability requirements also become morestringent. The deployment of distributed energy resources (DER), including generationand storage, in conventional passive distribution feeders, gives rise to integrationproblems involving protection and unintentional islanding. Distributed generators need tobe islanded for safety reasons when disconnected or isolated from the main feeder asdistributed generator islanding may create hazards to utility and third-party personnel, andpossibly damage the distribution system infrastructure, including the distributedgenerators.This thesis compares several key performance indicators of a newly developedintelligent islanding detection relay, against islanding detection devices currently used bythe industry. The intelligent relay employs multivariable analysis and data miningmethods to arrive at decision trees that contain both the protection handles and thesettings.A test methodology is developed to assess the performance of these intelligentrelays on a real time simulation environment using a generic model based on a real-lifedistribution feeder. The methodology demonstrates the applicability and potentialadvantages of the intelligent relay, by running a large number of tests, reflecting amultitude of system operating conditions. The testing indicates that the intelligent relayoften outperforms frequency, voltage and rate of change of frequency relays currentlyused for islanding detection, while respecting the islanding detection time constraintsimposed by standing distributed generator interconnection guidelines. / Les réseaux électriques ne cessent d'augmenter en capacité pour répondre à la demande énergétique en constante augmentation. Leur fiabilité et les normes de qualité sont aussi devenues de plus en plus contraignantes. Le déploiement des ressources distribuées, incluant la production et le stockage d'énergie, se répand dans les réseaux conventionnels, et remplace une partie de la production centralisée. Malgré les nombreux avantages pour les utilités à intégrer les ressources distribuées, des problèmes d'intégration doivent être gérés, tel que la nécessité d'îlotage des générateurs lorsqu'une section du réseau de distribution est séparée du réseau principal. Maintenir cette section alimentée les génératrices distribuées peut, potentiellement, créer des effets secondaires non-intentionnels tel qu'une augmentation des probabilités de choc électrique pour lepersonnel de chargé du service et la possibilité d'endommager les infrastructures duréseau de distribution, incluant les génératrices décentralisés. Cette thèse compare les caractéristiques et la performance d'un relais intelligent de détection d'îlotage, nouvellement développé, aux performances des relais de détection présentement utilisés en industrie. Le relais intelligent emploie des méthodes d'analyse à plusieurs variables et d'analyse de données afin d'arriver à des arbres de décision qui contiennent les réglages et les propriétés du relais de protection. La méthodologie d'essai est développée sur un simulateur en temps réel pour évaluer la performance du relais intelligent sur un modèle réduit d'une artère dedistribution existante. La méthodologie expose les applications potentielles du relais intelligent et un grand nombre de tests a été effectué pour représenter une multitude de conditions d'opération du réseau. Les tests indiquent que le relais intelligent estgénéralement plus performant que les relais conventionnels, basés sur la fréquence, latension ou le taux de variation de la fréquence, présentement utilisés pour la détection d'îlotage, tout en respectant les contraintes sur les temps de détection imposées par les normes d'interconnexions de la production distribuée.