This thesis presents some contributions to the state-of-the-art of the fields of gain-scheduling and fault tolerant control (FTC). In the area of gain-scheduling, the connections between the linear parameter varying (LPV) and Takagi-Sugeno (TS) paradigms are analyzed, showing that the methods for the automated generation of models by nonlinear embedding and by sector nonlinearity, developed for one class of systems, can be easily extended to deal with the other class. Then, two measures, based on the notions of overboundedness and region of attraction estimates, are proposed in order to compare different models and choose which one can be considered the best one. Later, the problem of designing state-feedback controllers for LPV systems has been considered, providing two main contributions. First, robust LPV controllers that can guarantee some desired performances when applied to uncertain LPV systems are designed, by using a double-layer polytopic description that takes into account both the variability due to the varying parameter vector and the uncertainty. Then, the idea of designing the controller in such a way that the required performances are scheduled by the varying parameters is explored, which provides an elegant way to vary online the behavior of the closed-loop system. In both cases, the problem reduces to finding a solution to a finite number of linear matrix inequalities (LMIs), which can be done efficiently using the available solvers. In the area of fault tolerant control, the thesis first shows that the aforementioned double-layer polytopic framework can be used for FTC, in such a way that different strategies (passive, active and hybrid) are obtained depending on the amount of available information. Later, an FTC strategy for LPV systems that involves a reconfigured reference model and virtual actuators is developed. It is shown that by including the saturations in the reference model equations, it is possible to design a model reference FTC system that automatically retunes the reference states whenever the system is affected by saturation nonlinearities. In this way, a graceful performance degradation in presence of actuator saturations is incorporated in an elegant way. Finally, the problem of FTC of unstable LPV systems subject to actuator saturations is considered. In this case, the design of the virtual actuator is performed in such a way that the convergence of the state trajectory to zero is assured despite the saturations and the appearance of faults. Also, it is shown that it is possible to obtain some guarantees about the tolerated delay between the fault occurrence and its isolation, and that the nominal controller can be designed so as to maximize the tolerated delay. / Aquesta tesi presenta diverses contribucions a l'estat de l'art del control per planificació del guany i del control tolerant a fallades (FTC). Pel que fa al control per planificació del guany, s'analitzen les connexions entre els paradigmes dels sistemes lineals a paràmetres variants en el temps (LPV) i de Takagi-Sugeno (TS). Es demostra que els mètodes per a la generació automàtica de models mitjançant encastament no lineal i mitjançant no linealitat sectorial, desenvolupats per una classe de sistemes, es poden estendre fàcilment per fer-los servir amb l'altra classe. Es proposen dues mesures basades en les nocions de sobrefitació i d'estimació de la regió d'atracció, per tal de comparar diferents models i triar quin d'ells pot ser considerat el millor. Després, es considera el problema de dissenyar controladors per realimentació d'estat per a sistemes LPV, proporcionant dues contribucions principals. En primer lloc, fent servir una descripció amb doble capa politòpica que té en compte tant la variabilitat deguda al vector de paràmetres variants i la deguda a la incertesa, es dissenyen controladors LPV robustos que puguin garantir unes especificacions desitjades quan s'apliquen a sistemes LPV incerts. En segon lloc, s'explora la idea de dissenyar el controlador de tal manera que les especificacions requerides siguin programades pels paràmetres variants. Això proporciona una manera elegant de variar en línia el comportament del sistema en llaç tancat. En tots dos casos, el problema es redueix a trobar una solució d'un nombre finit de desigualtats matricials lineals (LMIs), que es poden resoldre fent servir algorismes numèrics disponibles i molt eficients. En l'àrea del control tolerant a fallades, primerament la tesi mostra que la descripció amb doble capa politòpica abans esmentada es pot utilitzar per fer FTC, de tal manera que, en funció de la quantitat d'informació disponible, s'obtenen diferents estratègies (passiva, activa i híbrida). Després, es desenvolupa una estratègia de FTC per a sistemes LPV que fa servir un model de referència reconfigurat combinat amb la tècnica d'actuadors virtuals. Es mostra que mitjançant la inclusió de les saturacions en les equacions del model de referència, és possible dissenyar un sistema de control tolerant a fallades que resintonitza automàticament els estats de referència cada vegada que el sistema es veu afectat per les no linealitats de la saturació en els actuadors. D'aquesta manera s'incorpora una degradació elegant de les especificacions en presència de saturacions d'actuadors. Finalment, es considera el problema de FTC per sistemes LPV inestables afectats per saturacions d'actuadors. En aquest cas, es porta a terme el disseny de l'actuador virtual de tal manera que la convergència a zero de la trajectòria d'estat està assegurada tot i les saturacions i l'aparició de fallades. A més, es mostra que és possible obtenir garanties sobre el retard tolerat entre l'aparició d'una fallada i el seu aïllament, i que el controlador nominal es pot dissenyar maximitzant el retard tolerat.

El estudio y evaluación de la función muscular respiratoria en enfermedades respiratorias a través de técnicas no invasivas representa un tema de gran interés, dado que hasta la fecha no existen métodos satisfactorios aplicables en situaciones clínicas. En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el trabajo mecánico de los músculos respiratorios aumenta dando lugar a la fatiga, disminución de los movimientos de la caja torácica, y por tanto una disminución de la eficiencia muscular respiratoria. Es conocido que el músculo diafragma, principal responsable de la actividad mecánica respiratoria, al igual que otros músculos esqueléticos vibra lateralmente durante su contracción. De ahí, que estas vibraciones puedan ser registradas mediante micrófonos, sensores piezoeléctricos o acelerómetros posicionados encima de la pared inferior del pecho en la zona de aposición del diafragma con la caja torácica. El registro de estas vibraciones da lugar a la señal mecanomiográfica del diafragma (MMGdi). El principal objetivo de esta tesis ha sido el estudio y caracterización no invasiva de la función muscular respiratoria en pacientes con EPOC a través de la señal MMGdi registrada mediante acelerómetros posicionados entre el séptimo y octavo espacios intercostales, en la línea axilar izquierda y derecha del cuerpo durante la realización de los protocolos respiratorios de carga incremental progresiva y de flujo incremental progresivo. Para mejorar la estimación de la amplitud de la señal MMGdi se han propuesto tres nuevos índices, que tienen en cuenta la naturaleza aleatoria y el ruido asociado en las señales MMGdi, y están basados en: el algoritmo de Lempel-Ziv (LZM), la entropía aproximada (fApEn), y la entropía muestral (fSampEn). Todos ellos son calculados con intervalos de cuantificación fijos y empleando ventanas móviles. Los resultados obtenidos con éstos índices han permitido estimar con mayor fiabilidad y robustez la amplitud de las señales MMGdi, en relación a los métodos clásicos utilizados en el estudio de señales miográficas. El estudio del valor medio de los parámetros analizados ha mostrado, que existe una tendencia incremental de éste en los parámetros de amplitud, y una tendencia decreciente en los parámetros frecuenciales (frecuencias media y máxima), con el incremento de la carga y/o flujo. En este sentido, se ha observado que el valor medio es mayor cuanto mayor es la severidad del paciente con EPOC. Por otra parte, se ha observado que existe una fuerte correlación entre los parámetros de amplitud y la presión inspiratoria máxima en el protocolo de flujo incremental progresivo, con una tendencia decreciente con la severidad. Del mismo modo la eficiencia muscular respiratoria, evaluada como la relación entre la fuerza que producen los músculos respiratorios (la presión inspiratoria en boca) y lo que gastan o necesitan para producir esta presión (la vibración de los músculos respiratorios evaluada mediante las señales MMGdi), ha mostrado en general una tendencia decreciente con el aumento de la severidad. Finalmente, los resultados que se desprenden de esta tesis indican que el estudio de la señal MMGdi representa una herramienta útil con un gran potencial para evaluar el grado de la severidad presente en sujetos con EPOC y su relación con la debilidad de la musculatura respiratoria, y por tanto su aplicación en estudios clínicos podría ser de gran ayuda para evaluar el desarrollo de la EPOC. / The study and evaluation of the respiratory muscles function in people who suffer from respiratory diseases can be evaluated through the use of noninvasive techniques. This is a topic of great interest considering there are currently no existing methods that can be successfully applied in clinical situations. In chronic obstructive pulmonary disease (COPD), the mechanical work of the respiratory muscles increases, which could lead to muscular fatigue, decreased movement of the ribcage, and, therefore, a decrease in the respiratory muscle efficiency. The diaphragm muscle is the principal muscle of inspiration and the main mechanical responsible for the ventilation. Similar to other skeletal muscles the diaphragm laterally vibrates during its contraction. These vibrations can be recorded by microphones, piezoelectric sensors or accelerometers, which are placed above the lower chest wall in the area of apposition of the diaphragm to the ribcage. The record of these vibrations is known as mechanomyographic signal of the diaphragm muscle (MMGdi). The main objective of this thesis has been the study and noninvasive characterization of the respiratory muscles function in patients with COPD. This characterization has been made possible through the use of MMGdi signals recorded by accelerometers placed between the seventh and eighth intercostals spaces on the left and right anterior axillary lines of the body during two respiratory protocols. The first protocol is called progressive incremental load protocol and the second one progressive incremental flow protocol. In this thesis three new indices have been proposed to improve the MMGdi amplitude estimation. These indices take into account the random nature and the associated noise in the MMGdi signals, and are based on the: Lempel-Ziv algorithm (MLZ), approximate entropy (fApEn), and sample entropy (fSampEn). All of them are calculated with fixed quantization intervals and using moving windows. The obtained results with these new indices have shown improved reliability and robustness in the MMGdi amplitude estimation in comparison with classic methods used to study myographic signals. The study of the mean value of the analyzed parameters has shown an increasing trend of the amplitude parameters and a decreasing trend of the frequency parameters (mean and maximum frequencies) with increasing load and/or flow. Furthermore, we found that there was a direct relationship between these mean values and the severity of COPD; hence, the greater the mean value, the greater the severity of COPD. Moreover, we have seen that there is a strong correlation between the amplitude parameters and the maximum inspiratory pressure in the progressive incremental flow protocol with a decreasing trend as the severity of the patients increases. Likewise, the respiratory muscle efficiency, evaluated as the ratio between the force produced by the respiratory muscles (mouth inspiratory pressure) and what they need to produce this pressure (the vibration of respiratory muscles assessed by MMGdi signals), has also shown a generally decreasing trend as the severity of patients increases. Finally, the results of this thesis suggest that the study of the MMGdi signal is a useful tool with great potential to assess the relationship between respiratory muscle weakness and the degree of severity in patients with COPD. Therefore, the application of this innovative tool in clinical studies may be helpful to assess the development of COPD.

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

An important issue in today's information society is the security of data transmission against potential intruders, which always put at risk the confidentiality. Current methods to increase security require that the two parties wishing to transmit information, exchange or share one or more security keys. Once the key has been identified, the information can be transferred in a provable secure way using a one-time pad, i. e. the key length is as long as the plaintext. Therefore, the security of the information transmission is based exclusively on the security of the key exchange. Quantum cryptography, or more precisely quantum key distribution (QKD), guarantees absolutely secure key distribution based on the principles of quantum physics, according to which it is not possible to measure or reproduce a state (e.g. polarization or phase of a photon) without being detected. The key is generated out from the measurement of the information encoded into specific quantum states of a photon, named qubits. For example, a qubit can be created using properties such as the polarization or the phase of a photon. Achieved goals of this thesis are the development of a new class of high speed integrated photonic sources for applications in quantum key distribution systems, capable of producing unprecedented qubit rates (100 Mbps - 1 Gbps) and transmitting those over larger distances than those achieved so far (>200 km). More specifically the work has been focused on developing faint pulse sources which can be used in very demanding environmental conditions, such as those in Space. For the development of these sources, apart from the optical design, essential is the opto-mechanical engineering as well as the integration with the electronics. One of the objectives was to achieve very high level of integration and power efficiency, e.g. volumes and power consumption between 10 and 100 times smaller than those typical of a laboratory experiment. Moreover, work in related parts of a whole QKD transmission system has been carried out. In particular, a new scheme for a compact, fast and simple random number generator has been demonstrated successfully achieving a random number generation rate of 1.1 Gbps. Also, during the course of this thesis, the development and engineering of a free-space QKD optical link has been initiated. This thesis makes use of novel ideas to alternatively demonstrate proof-of-concept experiments, which could then further develop into commercial products. To this end, close collaborations with world-wide leading companies in the field have been established. The Optoelectronics Group at ICFO has been involved in current European Space Agency (ESA) projects to develop a small footprint and low power consumption quantum transceiver and a high-flux entangled photon source. / En l’actual societat del coneixement és important la seguretat en la transmissió de dades contra potencial intrusos, els quals sempre posen en risc la confidencialitat. Mètodes actuals per incrementar la seguretat requereixen que les dos parts que volen transmetre informació, intercanviïn o comparteixin una o més claus. Una vegada la clau ha estat identificada, la informació pot ser transferida de forma provadament segura utilitzant ”‘one-time pad”’. Per tant, la seguretat en la transmissió de la informació es basa exclusivament en la seguretat en l’intercanvi de la clau. La criptografia quàntica, o més precisament distribució de clau quàntica (QKD), garanteix absolutament la seguretat de la distribució de la clau basant-se en els principis de la física quàntica, segons la qual no és possible mesurar o reproduir un estat (p. e. la polarització o fase d’un fotó) sense ser detectat. La clau es genera a partir de les mesures de la informació codificada en estat quàntics del fotó, anomenats qubits. Per exemple, un qubit pot ser creat utilitzant propietats com la polarització o fase d’un fotó. Els objectius aconseguits d’aquesta tesis són el desenvolupament d’una nova classe d’emissors fotònics d’alta velocitat per a aplicacions en sistemes de distribució de clau quàntica, capaç¸os de produir velocitats de qubit sense precedents (100 Mbps - 1 Gbps) i transmetre’ls a través de distàncies més llunyanes que les aconseguides fins ara (> 200 Km). Més en concret el treball s’ha centrat en el desenvolupament de fonts de pulsos atenuats que poden ser usades en condicions ambientals molt extremes, com les presents a l’Espai. Per al desenvolupament d’aquestes fonts, apart del disseny òptic, importantíssim es l’enginyeria optomecànica com també la integració amb la electrònica. Un dels objectius ha estat aconseguir un molt alt nivell de integració i eficiència de potència, p. e. volums i consums de potència entre 10 i 100 vegades més petits que els típics en experiments de laboratori. Ademés, s’ha realitzat treball en altres parts relacionades amb un sistema de transmissió QKD. En particular, un nou esquema per a un generador de números aleatori compacte, ràpid i simple ha estat positivament demostrat aconseguint velocitats de generació de números aleatoris de 1:1 Gbps. També, el desenvolupament i enginyeria d’un enllaç òptic per a QKD en espai lliure ha estat iniciat durant aquesta tesis. Aquesta tesis utilitza idees novedoses per a demostrar experiments de prova de concepte, els quals poden esdevenir en productes comercials. Per a aquest fi, s’han establert col•laboracions amb empreses internacionals líders del sector. A més a més, el Grup d’Optoelectrònica de ICFO ha estat involucrat en projectes de la Agència Espacial Europea (ESA) per a desenvolupar un transceptor quàntic de tamany reduït i baix consum de potència, el qual també conté una font de fotons entrellaçts d’alt flux.

An interesting approach in cooperative control is to design distributed control strategies which use only local information so that a multi-agent system achieves specified behaviors. A basic behavior in cooperative control is the consensus. Given a multi-agent system, like a multiple robot network, it is said that the agents reach a consensus if the state of each agent converges to a common state. Examples of cooperative tasks in which consensus algorithms are employed include formation control, flocking theory, rendezvous problems and synchronization. These cooperative tasks have several possible applications, like: transportation systems (intelligent highways, air-traffic control); military systems (formation flight, surveillance, reconnaissance, cooperative attack and rendezvous) and mobile sensor networks (space-based interferometers, environmental sampling). The solution to the consensus problems involves the design of control algorithms such that the agents can reach an agreement on their states. There are two main problems that are studied in consensus, the leader-follower consensus and the leaderless consensus. In the leader-follower consensus problem, there exists a leader that specifies the state for the whole group while in a leaderless consensus problem, there is not a priori reference state. The main goal of this thesis is the design of operational space controllers that solve the leader-follower and the leaderless consensus problems in networks composed of multiple heterogeneous robots. Furthermore, this document proposes novel operational space control schemes for bilateral teleoperation systems. In both scenarios, different conditions are studied, such as the absence of robot velocity measurements, constant and variable time-delays in the robot's interconnection, and uncertainty in the robot's physical parameters. Most of the previous consensus control algorithms, only work with the position or orientation but not with both. On the contrary, this dissertation deals with the entire pose of the robots that contains both the position and the orientation. Moreover, in order to render a singularity-free description of the orientation, the unit-quaternions are employed. The dissertation provides a rigorous stability analysis of the control algorithms and presents simulations and experiments that validate the effectiveness of the proposed controllers. / Un enfoque interesante en el control cooperativo es el diseño de estrategias de control distribuido que requieran sólo información local para que un sistema multi-agente logre comportamientos específicos. Un comportamiento básico del control cooperativo es el consenso. Dado un sistema multi-agente, como una red de múltiples robots, se dice que los agentes llegan a un consenso si el estado de cada agente converge a un estado común. Algunos ejemplos de tareas cooperativas en las que los algoritmos de consenso son utilizados son los siguientes: el control de la formación, flocking, rendezvous y sincronización. Estas tareas cooperativas tienen varias aplicaciones posibles, como: sistemas de transporte (carreteras inteligentes , control de tráfico aéreo); sistemas militares (vuelo en formación, vigilancia, reconocimiento, ataque cooperativo) y redes de sensores móviles (interferómetros en el espacio, el muestreo del ambiente). La solución a los problemas de consenso implica el diseño de algoritmos de control de tal manera que los agentes pueden llegar a un acuerdo sobre sus estados. Hay dos problemas principales que se estudian en el consenso, el consenso líder-seguidor y el consenso sin líder. En el problema de consenso líder-seguidor, existe un líder que especifica el estado de todo el grupo, mientras que en un problema de consenso sin líder, no hay ningún estado de referencia definido a priori. El objetivo principal de esta tesis es el diseño de controladores en el espacio operacional que resuelvan los problemas de consenso líder-seguidor y sin líder en redes compuestas de múltiples robots heterogéneos. Además, este documento propone novedosos esquemas de control en el espacio operacional para sistemas de teleoperación bilateral. En ambos escenarios, se estudian diferentes condiciones, tales como la ausencia de medidas de velocidad de los robots, retardos constantes y variables en la interconexión de los robots y la incertidumbre en los parámetros físicos de los robots. La mayoría de los anteriores algoritmos de control que resuelven el consenso, sólo trabajan con la posición o la orientación, pero no con ambos. Por el contrario, esta tesis doctoral se ocupa de toda la pose de los robots que contiene tanto la posición y la orientación. Por otra parte, a fin de usar una representación de la orientación libre de singularidades, se emplean los cuaterniones unitarios. Esta tesis doctoral proporciona un análisis riguroso de la estabilidad de los algoritmos de control y presenta simulaciones y experimentos que validan la eficacia de los controladores propuestos

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

A pesar de las ventajas que ofrecen los sistemas de refrigeración por absorción, su utilización está muy por debajo de su potencial técnico y económico. El fluido de trabajo convencional H2O/LiBr presenta serios problemas de corrosión y descomposición térmica a temperaturas mayores de 150ºC. Por este motivo, se propone el desarrollo de absorbentes que no sean corrosivos, sean estables térmicamente y permitan aprovechar al máximo el nivel de temperatura de fuentes de calor de alta temperatura. El objetivo de este trabajo es estudiar la solución acuosa de: LiNO3+KNO3+NaNO3 con composición másica porcentual de sales 53, 28 y 19 respectivamente, llamada “Alkitratos”, como fluido de trabajo en enfriadoras de absorción, que utilicen H2O como refrigerante, en configuraciones de triple-efecto capaces de operar a temperaturas de hasta 260ºC. En una primera etapa, se ha realizado la determinación experimental, estimación y modelización de las propiedades termofísicas de varias soluciones acuosas de nitratos y nitritos alcalinos con el fin de crear una base de datos de las propiedades termofísicas. Posteriormente, se ha realizado la simulación de la configuración del ciclo denominada “Ciclo con etapa de alta temperatura con Alkitratos” usando el programa de simulación ABSIM (Advanced Modular Simulation of Absorption Systems). Este ciclo muestra una eficiencia ligeramente superior en comparación con el ciclo de triple-efecto con H2O/LiBr a temperaturas del generador mayores de 180ºC, sin los problemas de inestabilidad térmica y corrosión que se presentan en el ciclo con H2O/LiBr por encima de 150ºC. Posteriormente, se ha diseñado y construido un dispositivo experimental para el estudio del proceso de absorción de los Alkitratos en un absorbedor de película descendente sobre tubos horizontales en las condiciones de operación de un ciclo de refrigeración por absorción con accionamiento a alta temperatura. Se ha llevado a cabo un estudio de sensibilidad de las variables de operación y se han evaluado una serie de parámetros de eficiencia del absorbedor. A las condiciones de operación establecidas en las pruebas experimentales, los valores obtenidos del flujo de vapor absorbido se encuentran en el rango de 2.83-6.55 g.m-2.s-1, el coeficiente de transferencia de calor de la película descendente varía entre 631.9 y 1715.8 W.m-2.ºC-1, mientras que el coeficiente de transferencia de masa se encuentra en el rango de (2.1-6.0)x10-5 m.s-1. A partir de la base de datos experimentales obtenida se ha desarrollado un modelo de redes neuronales artificiales (RNA) para la determinación de los parámetros de eficiencia del absorbedor. Los resultados mostraron un buen ajuste entre los datos experimentales y calculados, lo cual indica que el modelo RNA es efectivo para determinar los parámetros de eficiencia del absorbedor. Por último, se ha desarrollado un modelo físico del absorbedor de tubos horizontales de película descendente que utiliza los Alkitratos como fluido de trabajo, que acopla los procesos de transferencia de calor y de masa, y además integra tres regímenes de flujo (formación de gota, caída de gota y película descendente) y predice el desempeño del absorbedor en diferentes condiciones de operación. / Despite its huge potential for energy savings and low environmental impact, the use of absorption refrigeration systems is well below its technical and economic potential. The conventional working fluid H2O/LiBr has serious problems regarding corrosion and thermal decomposition at temperatures above 150°C. For this reason, we propose the development of absorbents suitable to triple-effect absorption refrigeration cycles. These absorbents should be non-corrosive, thermally stable, and allow taking advantage of the thermal potential of high temperature heat sources. The objective of this work is to study the solutions of alkaline nitrates, LiNO3+KNO3+NaNO3 with a percentage mass composition in salts of 53, 28 and 19%, respectively, called “Alkitrate”, as a new working fluid for absorption chillers using water as refrigerant in triple-effect configurations that can operate up to temperatures of about 260°C. In a first stage, experimental measurement, estimation and modelling of the thermophysical properties of aqueous alkaline nitrate and nitrite solutions were carried out in order to create an experimental database of thermophysical properties. Subsequently, the absorption cycle configuration called "Alkitrate topping cycle" was simulated using the ABSIM (Advanced Modular Simulation of Absorption Systems) program. The Alkitrate topping cycle showed a slightly higher efficiency as compared to the LiBr/H2O triple-effect cycle at generator temperatures above 180ºC, without the problems related to thermal stability and corrosion of H2O/LiBr at temperatures higher than 150ºC. Subsequently, an experimental set-up was designed and built-up to study the absorption process with Alkitrate as working pair in a horizontal falling film absorber at operating conditions of interest for absorption refrigeration cycles driven by high temperature heat sources. Then, a sensitivity study was conducted and the trends of absorber efficiency parameters were evaluated. At the operating conditions used in the experiments, the values achieved for the absorption mass flux were in the range 2.83-6.55 g.m- 2.s-1, the solution-side heat transfer coefficient ranged from 631.9 to 1715.8 W.m-2.ºC-1, while the mass transfer coefficient was in the range (2.1-6.0)x10-5 m.s-1. Based on the experimental data base achieved from the experimental set-up, a model that uses artificial neural networks (ANN) for predicting the absorber efficiency parameters in a horizontal falling film absorber was developed. The results showed a good agreement between experimental and calculated data, indicating that the use of ANN is an effective technique for predicting the absorber efficiency parameters. Finally, a physical model of a horizontal tubes falling film absorber with Alkitrate, involving coupled heat and mass transfer processes was developed. The mathematical model integrates three solution flow regimes (drop formation, droplet fall, and falling film) and predicts the absorber performance at different operating conditions.

Next-Generation Networks (NGNs) will converge the existing fixed and wireless networks. These networks rely on the IMS (IP Multimedia Subsystem), introduced by the 3GPP. The presence service came into being in instant messaging applications. A user¿s presence information consists in any context that is necessary for applications to handle and adapt the user's communications. The presence service is crucial in the IMS to deploy ubiquitous services. SIMPLE is the standard protocol for handling presence and instant messages. This protocol disseminates users' presence information through subscriptions, notifications and publications. SIMPLE generates much signaling traffic for constantly disseminating presence information and maintaining subscriptions, which may overload network servers. This issue is even more harmful to the IMS due to its centralized servers. A key factor in the success of NGNs is to provide users with always-on services that are seamlessly part of their daily life. Personalizing these services according to the users' needs is necessary for the success of these services. To this end, presence information is considered as a crucial tool for user-based personalization. This thesis can be briefly summarized through the following contributions: We propose filtering and controlling the rate of presence publications so as to reduce the information sent over access links. We probabilistically model presence information through Markov chains, and analyzed the efficiency of controlling the rate of publications that are modeled by a particular Markov chain. The reported results show that this technique certainly reduces presence overload. We mathematically study the amount of presence traffic exchanged between domains, and analyze the efficiency of several strategies for reducing this traffic. We propose an strategy, which we call Common Subscribe (CS), for reducing the presence traffic exchanged between federated domains. We compare this strategy traffic with that generated by other optimizations. The reported results show that CS is the most efficient at reducing presence traffic. We analyze the load in the number of messages that several inter-domain traffic optimizations cause to the IMS centralized servers. Our proposed strategy, CS, combined with an RLS (i.e., a SIMPLE optimization) is the only optimization that reduces the IMS load; the others increase this load. We estimate the efficiency of the RLS, thereby concluding that the RLS is not efficient under certain circumstances, and hence this optimization is discouraged. We propose a queuing system for optimizing presence traffic on both the network core and access link, which is capable to adapt the publication and notification rate based on some quality conditions (e.g, maximum delay). We probabilistically model this system, and validate it in different scenarios. We propose, and implement a prototype of, a fully-distributed platform for handling user presence information. This approach allows integrating Internet Services, such as HTTP or VoIP, and optimizing these services in an easy, user-personalized way. We have developed SECE (Sense Everything, Control Everything), a platform for users to create rules that handle their communications and Internet Services proactively. SECE interacts with multiple third-party services for obtaining as much user context as possible. We have developed a natural-English-like formal language for SECE rules. We have enhanced SECE for discovering web services automatically through the Web Ontology Language (OWL). SECE allows composing web services automatically based on real-world events, which is a significant contribution to the Semantic Web. The research presented in this thesis has been published through 3 book chapters, 4 international journals (3 of them are indexed in JCR), 10 international conference papers, 1 demonstration at an international conference, and 1 national conference / Next-Generation Networks (NGNs) son las redes de próxima generación que soportaran la convergencia de redes de telecomunicación inalámbricas y fijas. La base de NGNs es el IMS (IP Multimedia Subsystem), introducido por el 3GPP. El servicio de presencia nació de aplicaciones de mesajería instantánea. La información de presencia de un usuario consiste en cualquier tipo de información que es de utilidad para manejar las comunicaciones con el usuario. El servicio de presencia es una parte esencial del IMS para el despliegue de servicios ubicuos. SIMPLE es el protocolo estándar para manejar presencia y mensajes instantáneos en el IMS. Este protocolo distribuye la información de presencia de los usuarios a través de suscripciones, notificaciones y publicaciones. SIMPLE genera mucho tráfico por la diseminación constante de información de presencia y el mantenimiento de las suscripciones, lo cual puede saturar los servidores de red. Este problema es todavía más perjudicial en el IMS, debido al carácter centralizado de sus servidores. Un factor clave en el éxito de NGNs es proporcionar a los usuarios servicios ubicuos que esten integrados en su vida diaria y asi interactúen con los usuarios constantemente. La personalización de estos servicios basado en los usuarios es imprescindible para el éxito de los mismos. Para este fin, la información de presencia es considerada como una herramienta base. La tesis realizada se puede resumir brevemente en los siguientes contribuciones: Proponemos filtrar y controlar el ratio de las publicaciones de presencia para reducir la cantidad de información enviada en la red de acceso. Modelamos la información de presencia probabilísticamente mediante cadenas de Markov, y analizamos la eficiencia de controlar el ratio de publicaciones con una cadena de Markov. Los resultados muestran que este mecanismo puede efectivamente reducir el tráfico de presencia. Estudiamos matemáticamente la cantidad de tráfico de presencia generada entre dominios y analizamos el rendimiento de tres estrategias para reducir este tráfico. Proponemos una estrategia, la cual llamamos Common Subscribe (CS), para reducir el tráfico de presencia entre dominios federados. Comparamos el tráfico generado por CS frente a otras estrategias de optimización. Los resultados de este análisis muestran que CS es la estrategia más efectiva. Analizamos la carga en numero de mensajes introducida por diferentes optimizaciones de tráfico de presencia en los servidores centralizados del IMS. Nuestra propuesta, CS, combinada con un RLS (i.e, una optimización de SIMPLE), es la unica optimización que reduce la carga en el IMS. Estimamos la eficiencia del RLS, deduciendo que un RLS no es eficiente en ciertas circunstancias, en las que es preferible no usar esta optimización. Proponemos un sistema de colas para optimizar el tráfico de presencia tanto en el núcleo de red como en la red de acceso, y que puede adaptar el ratio de publicación y notificación en base a varios parametros de calidad (e.g., maximo retraso). Modelamos y analizamos este sistema de colas probabilísticamente en diferentes escenarios. Proponemos una arquitectura totalmente distribuida para manejar las información de presencia del usuario, de la cual hemos implementado un prototipo. Esta propuesta permite la integracion sencilla y personalizada al usuario de servicios de Internet, como HTTP o VoIP, asi como la optimizacón de estos servicios. Hemos desarrollado SECE (Sense Everything, Control Everything), una plataforma donde los usuarios pueden crear reglas para manejar todas sus comunicaciones y servicios de Internet de forma proactiva. SECE interactúa con una multitud de servicios para conseguir todo el contexto possible del usuario. Hemos desarollado un lenguaje formal que parace como Ingles natural para que los usuarios puedan crear sus reglas. Hemos mejorado SECE para descubrir servicios web automaticamente a través del lenguaje OWL (Web Ontology Language).

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

Soil moisture and vegetation biomass are two essential parameters from a scienti c and economical point of view. On one hand, they are key for the understanding of the hydrological and carbon cycle. On the other hand, soil moisture is essential for agricultural applications and water management, and vegetation biomass is crucial for regional development programs. Several remote sensing techniques have been used to measure these two parameters. However, retrieving soil moisture and vegetation biomass with the required accuracy, and the appropriate spatial and temporal resolutions still remains a major challenge. The use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) reflected signals as sources of opportunity for measuring soil moisture and vegetation biomass is assessed in this PhD Thesis. This technique, commonly known as GNSS-Reflectometry (GNSS-R), has gained increasing interest among the scienti c community during the last two decades due to its unique characteristics. Previous experimental works have already shown the capabilities of GNSS-R to sense small reflectivity changes on the surface. The use of the co- and cross-polarized reflected signals was also proposed to mitigate nuisance parameters, such as soil surface roughness, in the determination of soil moisture. However, experimental evidence of the suitability of that technique could not be demonstrated. This work analyses from a theoretical and an experimental point of view the capabilities of polarimetric observations of GNSS reflected signals for monitoring soil moisture and vegetation biomass. The Thesis is structured in four main parts. The fi rst part examines the fundamental aspects of the technique and provides a detailed review of the GNSS-R state of the art for soil moisture and vegetation monitoring. The second part deals with the scattering models from land surfaces. A comprehensive description of the formation of scattered signals from rough surfaces is provided. Simulations with current state of the art models for bare and vegetated soils were performed in order to analyze the scattering components of GNSS reflected signals. A simpli ed scattering model was also developed in order to relate in a straightforward way experimental measurements to soil bio-geophysical parameters. The third part reviews the experimental work performed within this research. The development of a GNSS-R instrument for land applications is described, together with the three experimental campaigns carried out in the frame of this PhD Thesis. The analysis of the GNSS-R and ground truth data is also discussed within this part. As predicted by models, it was observed that GNSS scattered signals from natural surfaces are a combination of a coherent and an incoherent scattering components. A data analysis technique was proposed to separate both scattering contributions. The use of polarimetric observations for the determination of soil moisture was demonstrated to be useful under most soil conditions. It was also observed that forests with high levels of biomass could be observed with GNSS reflected signals. The fourth and last part of the Thesis provides an analysis of the technology perspectives. A GNSS-R End-to-End simulator was used to determine the capabilities of the technique to observe di erent soil reflectivity conditions from a low Earth orbiting satellite. It was determined that high accuracy in the estimation of reflectivity could be achieved within reasonable on-ground resolution, as the coherent scattering component is expected to be the predominant one in a spaceborne scenario. The results obtained in this PhD Thesis show the promising potential of GNSS-R measurements for land remote sensing applications, which could represent an excellent complementary observation for a wide range of Earth Observation missions such as SMOS, SMAP, and the recently approved ESA Earth Explorer Mission Biomass. / La humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on son dos parametros clave desde un punto de vista tanto cient co como econ omico. Por una parte son esenciales para el estudio del ciclo del agua y del carbono. Por otra parte, la humedad del suelo es esencial para la gesti on de las cosechas y los recursos h dricos, mientras que la biomasa es un par ametro fundamental para ciertos programas de desarrollo. Varias formas de teledetección se han utilizado para la observaci on remota de estos par ametros, sin embargo, su monitorizaci on con la precisi on y resoluci on necesarias es todav a un importante reto tecnol ogico. Esta Tesis evalua la capacidad de medir humedad del suelo y biomasa de la vegetaci on con señales de Sistemas Satelitales de Posicionamiento Global (GNSS, en sus siglas en ingl es) reflejadas sobre la Tierra. La t ecnica se conoce como Reflectometr í a GNSS (GNSS-R), la cual ha ganado un creciente inter es dentro de la comunidad científ ca durante las dos ultimas d ecadas. Experimentos previos a este trabajo ya demostraron la capacidad de observar cambios en la reflectividad del terreno con GNSS-R. El uso de la componente copolar y contrapolar de la señal reflejada fue propuesto para independizar la medida de humedad del suelo de otros par ametros como la rugosidad del terreno. Sin embargo, no se pudo demostrar una evidencia experimental de la viabilidad de la t ecnica. En este trabajo se analiza desde un punto de vista te orico y experimental el uso de la informaci on polarim etrica de la señales GNSS reflejadas sobre el suelo para la determinaci on de humedad y biomasa de la vegetaci on. La Tesis se estructura en cuatro partes principales. En la primera parte se eval uan los aspectos fundamentales de la t ecnica y se da una revisi on detallada del estado del arte para la observaci on de humedad y vegetaci on. En la segunda parte se discuten los modelos de dispersi on electromagn etica sobre el suelo. Simulaciones con estos modelos fueron realizadas para analizar las componentes coherente e incoherente de la dispersi on de la señal reflejada sobre distintos tipos de terreno. Durante este trabajo se desarroll o un modelo de reflexi on simpli cado para poder relacionar de forma directa las observaciones con los par ametros geof sicos del suelo. La tercera parte describe las campañas experimentales realizadas durante este trabajo y discute el an alisis y la comparaci on de los datos GNSS-R con las mediciones in-situ. Como se predice por los modelos, se comprob o experimentalmente que la señal reflejada est a formada por una componente coherente y otra incoherente. Una t ecnica de an alisis de datos se propuso para la separacióon de estas dos contribuciones. Con los datos de las campañas experimentales se demonstr o el bene cio del uso de la informaci on polarim etrica en las señales GNSS reflejadas para la medici on de humedad del suelo, para la mayor a de las condiciones de rugosidad observadas. Tambi en se demostr o la capacidad de este tipo de observaciones para medir zonas boscosas densamente pobladas. La cuarta parte de la tesis analiza la capacidad de la t ecnica para observar cambios en la reflectividad del suelo desde un sat elite en orbita baja. Los resultados obtenidos muestran que la reflectividad del terreno podr a medirse con gran precisi on ya que la componente coherente del scattering ser a la predominante en ese tipo de escenarios. En este trabajo de doctorado se muestran la potencialidades de la t ecnica GNSS-R para observar remotamente par ametros del suelo tan importantes como la humedad del suelo y la biomasa de la vegetaci on. Este tipo de medidas pueden complementar un amplio rango de misiones de observaci on de la Tierra como SMOS, SMAP, y Biomass, esta ultima recientemente aprobada para la siguiente misi on Earth Explorer de la ESA.