[EN] Nowadays there are many works which analyze and seek to improve the performance of Wireless Local Area Networks (WLANs) from different perspectives. A great deal of them is focused on design aspects, such as frequency distribution or channel assignment. Therefore, as these features have already been widely studied, my efforts have been directed to study other conditions that also could affect their performance and that have not been analyzed in depth yet. The main goal of this Ph.D. dissertation has been to perform a detailed study that researches the weather's impact on the performance of WLANs IEEE 802.11b/g. Two different WLAN scenarios have been analyzed to validate the results and to find precise relations. From conclusions of these previous analysis, the second objective has been to design a cognitive protocol that based on weather conditions and network performance parameters, allows networks to adjust their transmission features in order to overcome such impact. In order to conduct this study, firstly it was necessary to study which statistical methods could be used to extract the level of correlation between performance parameters of networks and weather conditions running at the same time. Secondly, I had to know which performance parameters the outdoor WLAN of Universitat Politècnica de València (UPV) could provide, and select them according to my objective. Then, I defined the period of time in which these parameters were gathered periodically. The next step was to select and collect the weather conditions from a close weather station during the same period of time. Finally, I had to perform a detailed pre-processing to put all of the volume of data in order and data were statistically analyzed. Results were successful; however there were several problems due to the variability derived from a real WLAN scenario. Therefore, an experimental setup was required in order to check the obtained results. It entailed to design and to develop an outdoor point-to-multipoint IEEE 802.11b/g link and to analyze again the weather's impact. Multiple points were considered in order to take into account different distances in the performed evaluation and to examine the behavior of different modulation schemes working under the same weather conditions. From these results, a cognitive algorithm was designed in order to reduce the weather's impact on IEEE 802.11b/g networks. One key aspect was to ensure it was energy efficient. This protocol was simulated and the obtained results were satisfactory in terms of both energy efficiency and network performance. To conclude, other external factor to WLANs studied in this Ph.D thesis has been the specific absorption rate. It deals with a current public health worry because it is used to measure the body tissue exposure to electromagnetic fields. Obviously, signal absorption by human bodies affects to the performance of WLANs and so, this parameter should be also taken into account when deploying efficient networks. For this reason, this study has been also included in this thesis. / [ES] Hoy en día existen muchos trabajos que analizan e intentan mejorar el rendimiento de las redes de área local inalámbricas desde diferentes perspectivas. Gran parte de estos trabajos se centran en aspectos de diseño, como son la distribución de frecuencias o la asignación de canales. Por lo tanto, como estos aspectos ya han sido ampliamente estudiados, los esfuerzos de esta tesis se han dirigido a estudiar otros factores que también podrían afectar a su rendimiento y que no han sido analizadas en profundidad todavía. El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido realizar un estudio detallado que analice el impacto de las condiciones meteorológicas sobre el rendimiento de las redes IEEE 802.11b/g. Para realizar este estudio, se han analizado dos escenarios reales con el fin de verificar los resultados y encontrar relaciones precisas. A partir de las conclusiones de estos análisis previos, el segundo objetivo ha sido diseñar un algoritmo cognitivo que, en base a las condiciones meteorológicas y a los parámetros de rendimiento de red, permita a las redes ajustar sus características de transmisión con el fin de superar tal impacto. Con el fin de llevar a cabo este estudio, primero fue necesario estudiar qué métodos estadísticos podían ser utilizados para extraer el nivel de correlación entre los parámetros de rendimiento de las redes y las condiciones meteorológicas del entorno. En segundo lugar, se tuvo que analizar qué parámetros de rendimiento de red se podían extraer de la red exterior de la UPV y seleccionarlos de acuerdo con el objetivo perseguido. A continuación, se definió el periodo de tiempo durante el cual se almacenarían los parámetros seleccionados de forma periódica. El siguiente paso fue seleccionar y almacenar las condiciones meteorológicas de una estación cercana durante el mismo periodo de tiempo. Finalmente, se realizó un preprocesado detallado con el fin de poner en orden todo el volumen de datos y se analizaron estadísticamente. Los resultados fueron exitosos, sin embargo aparecieron varios problemas por el hecho de estudiar una red real muy variable. Por lo tanto, se tuvo que desarrollar un escenario experimental con el fin de verificar los resultados. Para ello se diseñó y desarrolló un enlace exterior IEEE 802.11b/g punto a multipunto, y se analizó de nuevo el impacto de las condiciones meteorológicas. Se consideró un enlace multipunto para analizar también cómo influía el impacto del tiempo según la distancia y los diferentes esquemas de modulación. A partir de los resultados, se diseñó un algoritmo cognitivo energéticamente eficiente con el fin de reducir el impacto de los fenómenos meteorológicos en las redes IEEE 802.11b/g. Dicho algoritmo ha sido simulado y los resultados obtenidos han sido satisfactorios, tanto en términos de eficiencia energética como de rendimiento de la red. Para concluir, otro factor externo que se ha estudiado en esta tesis ha sido la tasa de absorción específica. Este parámetro está relacionado con una de las grandes preocupaciones actuales en cuanto a salud pública, ya que se utiliza para medir la exposición de los tejidos del cuerpo humano a los campos electromagnéticos. Obviamente, la absorción de señal por parte del cuerpo humano afecta a las redes y, por lo tanto, este parámetro se debería tener en cuenta a la hora de diseñar redes eficientes. Por esta razón se ha incluido en esta tesis doctoral. / [CA] Actualment hi ha molts treballs que analitzen i intenten millorar el rendiment de les xarxes d'àrea local sense fils des de diferents perspectives. Gran part d'aquests treballs es focalitzen en aspectes de disseny, com són la distribució de freqüències o l'assignació de canals. Per tant, com aquests aspectes ja han sigut àmpliament estudiats, els esforços d'aquesta tesi doctoral s'han dirigit a estudiar altres factors que també podrien afectar al seu rendiment i que encara no han sigut analitzats amb profunditat. L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral ha sigut realitzar un estudi minuciós per analitzar l'impacte de les condicions meteorològiques sobre el rendiment de les xarxes IEEE 802.11b/g. Per a realitzar aquest estudi s'han analitzat dos escenaris reals per tal de verificar els resultats i trobar relacions precises. A partir de les conclusions d'aquests anàlisis previ, el següent objectiu ha sigut dissenyar un algoritme cognitiu que, en base a les condicions meteorològiques i als paràmetres de rendiment de la xarxa, permeti a les xarxes ajustar les seues característiques de transmissió per tal de superar tal impacte. Per tal de dur a terme aquest estudi, primer va ser necessari estudiar quins mètodes estadístics podien ser utilitzats per extraure el nivell de correlació entre els paràmetres de rendiment de les xarxes i les condicions meteorològiques de l'entorn. En segon lloc, es va haver d'analitzar quins paràmetres de rendiment es podien extraure de la xarxa exterior de la UPV i es van seleccionar d'acord a l'objectiu plantejat. A continuació, es va definir el període temporal al llarg del qual s'emmagatzemarien els paràmetres seleccionats de manera periòdica. El següent pas va ser seleccionar i emmagatzemar les condicions meteorològiques d'una estació propera durant el mateix període de temps. Finalment, es va realitzar un preprocessat per tal de posar en ordre tot el volum de dades i es van analitzar estadísticament. Els resultats van ser exitosos, però van aparèixer diversos problemes pel fet d'estudiar una xarxa real molt variable. Per tant, es va haver de desenvolupar un escenari experimental amb l'objectiu de verificar els resultats. Per aquesta raó es va dissenyar i implementar un enllaç exterior IEEE 802.11b/g punt a multipunt, i es va analitzar de nou l'impacte de les condicions meteorològiques. Es va considerar un enllaç multipunt per tal de d'analitzar també com influïa el impacte del temps segons la distància i els diferents esquemes de modulació. A partir d'aquests resultats, es va dissenyar un algoritme cognitiu energèticament eficient per tal de reduir l'impacte dels fenòmens meteorològics sobre les xarxes IEEE 802.11b/g. Aquest algoritme va ser simulat i els resultats obtinguts van ser satisfactoris, tant en termes d'eficiència energètica com de rendiment de la xarxa. va comprovar que la proposta aporta millores. Per concloure, un altre factor extern que s'ha estudiat en aquesta tesi doctoral ha sigut la taxa d'absorció específica. Aquest paràmetre està relacionat amb una de les preocupacions actuals pel que fa a la salut pública, ja que s'utilitza per a mesurar l'exposició dels teixits del cos humà als camps electromagnètics. Òbviament, aquesta absorció de la senyal afecta el rendiment de les xarxes i, per això, aquest paràmetre s'hauria de tenir en compte a l'hora d'implementar futures xarxes sense fils eficients. Per aquesta raó s'ha inclòs en aquesta tesi doctoral. / Bri Molinero, D. (2015). ESTUDIO DEL EFECTO DE FACTORES EXTERNOS SOBRE LAS REDES WLAN Y DISEÑO DE UN ALGORITMO COGNITIVO ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53450

The fifth generation (5G) has developed a lot of interest, and there have been many reported initiatives in both industry and academics. Multiple-input-multiple-output (MIMO) is the most promising wireless access technique for next-generation networks in terms of spectral and energy efficiency (MIMO). In 4G systems, 2-Element MIMO antennas are already used, while 5G mobile terminals for smartphone hand-held devices are projected to use a bigger number of elements. The placement of many antennas in the restricted space of a smartphone PCB is one of the most critical challenges. As a result, for sub-6 GHz 5G applications, a new design technique based on dual-polarised antenna resonators for 6-Element, 8-Element MIMO configuration is proposed. The proposed MIMO design could improve the smartphone antenna system's chan-nel capacity, diversity function, and multiplexing gain, making it appropriate for 5G applica-tions. For distinct prospective bands of the sub-6 GHz spectrum, such as 2.6, 3.6, and 5.8 GHz, different types of novel and compact diversity MIMO antennas using Patch, Slot, and Planar inverted F antenna (PIFA) resonators are examined. Unlike previously reported MIMO antennas, the proposed designs provide full radiation coverage and polarisation diversity, as well as adequate gain and efficiency values to support several mainboard sides. Apart from sub-6 GHz frequencies, 5G devices are projected to support the centimetre/milli-metre wave spectrum's higher bands. To create linear phased arrays, small antennas can be placed at various locations on a smartphone board. For 5G smartphones, we propose novel linear phased arrays with tiny parts like Dipole and Quasi-Yagi resonators. In comparison to previously published designs, the suggested phased arrays have desirable qualities such as compact size, wide beam-steering, broad bandwidth, end-fire radiation, high gain, and efficiency. With a reduced mutual coupling function, the suggested 5G antennas can provide single-band, multi-band, and broad-band characteristics. Both models and measurements are used to an-alyse the fundamental features of 5G antennas, and good agreement is found. Furthermore, in the presence of the user and the smartphone components, good features are seen due to the small size and superior arrangement of elements. Because of these benefits, the sug-gested antennas are well-suited for usage in 5G smartphone applications.

Die vorliegende Arbeit untersucht die grundsätzliche Machbarkeit, Radiofrequenzimpulse (RF) der Ultrahochfeld (UHF) Magnetresonanztomographie (MRT) (B0≥7.0T) für therapeutische Verfahren wie die RF Hyperthermie oder die lokalisierte Freigabe von Wirkstoffträgern und Markern zu nutzen. Im Rahmen der Arbeit wurde ein 8-Kanal Sened/Empfangsapplikator entwickelt, der bei einer Protonenfrequenz von 298MHz operiert. Mit diesem weltweit ersten System konnte in der Arbeit experimentell bewiesen werden, dass die entwickelte Hardware sowohl zielgerichtete lokalisierte RF Erwärmung als auch MR Bildgebung und MR Thermometrie (MRTh) realisiert. Mit den zusätzlichen Freiheitsgraden (Phase, Amplitude) eines mehrkanaligen Sendesystems konnte aufgezeigt werden, dass der Ort der thermischen Dosierung gezielt verändert bzw. festgelegt werden kann. In realitätsnahen Temperatursimulationen mit numerischen Modellen des Menschen, wird in der Arbeit aufgezeigt, dass mittels des entwickelten Hybridaufbaus eine kontrollierte und lokalisierte thermische Dosierung im Zentrum des menschlichen Kopfes erzeugt werden kann. Nach der erfolgreichen Durchführung dieser Machbarkeitsstudie wurden in theoretischen Überlegungen, numerischen Simulationen und in ersten grundlegenden experimentellen Versuchen die elektromagnetischen Gegebenheiten von MRT und lokal induzierter RF Hyperthermie für Frequenzen größer als 298MHz untersucht. In einem Frequenzbereich bis zu 1.44GHz konnte der Energiefokus mit Hilfe spezialisierter RF Antennenkonfigurationen entscheidend weiter verkleinert werden, sodass Temperaturkegeldurchmesser von wenigen Millimetern erreicht wurden. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Konzepte ausreichende Signalstärke der zirkular polarisierten Spinanregungsfelder bei akzeptabler oberflächlicher Energieabsorption erzeugen, um eine potentielle Machbarkeit von in vivo MRT bei B0=33.8T oder in vivo Elektronenspinresonanz (ESR) im L-Band zu demonstrieren. / The presented work details the basic feasibility of using radiofrequency (RF) fields generated by ultrahigh field (UHF) magnetic resonance (MR) (B0≥7.0T) systems for therapeutic applications such as RF hyperthermia and targeted drug delivery. A truly hybrid 8-channel transmit/receive applicator operating at the 7.0T proton MR frequency of 298MHz has been developed. Experimental verification conducted in this work demonstrated that the hybrid applicator supports targeted RF heating, MR imaging and MR thermometry (MRTh). The approach offers extra degrees of freedom (RF phase, RF amplitude) that afford deliberate changes in the location and thermal dose of targeted RF induced heating. High spatial and temporal MR temperature mapping can be achieved due to intrinsic signal-to-noise ratio (SNR) gain of UHF MR together with the enhanced parallel imaging performance inherent to the multi-channel receive architecture used. Temperature simulations in human voxel models revealed that the proposed hybrid setup is capable to deposit a controlled and localized RF induced thermal dose in the center of the human brain. After demonstrating basic feasibility, theoretical considerations and proof-of-principle experiments were conducted for RF frequencies of up to 1.44GHz to explore electrodynamic constraints for MRI and targeted RF heating applications for a frequency range larger than 298MHz. For this frequency regime a significant reduction in the effective area of energy absorption was observed when using dedicated RF antenna arrays proposed and developed in this work. Based upon this initial experience it is safe to conclude that the presented concepts generate sufficient signal strength for the circular polarized spin excitation fields with acceptable specific absorption rate (SAR) on the surface, to render in vivo MRI at B0=33.8T or in vivo electron paramagnetic resonance (EPR) at L-Band feasible.

Mit der Weiterentwicklung von Sensoren und Methoden hat die Satellitenfernerkundung innerhalb der letzten 20 Jahre nicht nur einen großen Stellenwert in der Polarforschung errungen, sondern vor allem die Herangehensweisen an eine Vielzahl glaziologischer Probleme grundlegend verändert. RADAR-Sensoren (Radio Detection and Ranging) sind dabei besonders bei der Erkundung vereister Regionen hilfreich und tragen stark zur Ableitung klimasensitiver Parameter im Bereich der Antarktis bei. Nach einem einführenden Überblick im ersten wird im zweiten Kapitel mit Darstellungen zur Nutzung von RADAR-Messungen für Fernerkundungszwecke begonnen. Die zur Erhöhung der räumlichen Auflösung verwendete SAR-Prozessierung (Synthetic Aperture Radar) wird daraufhin kurz umrissen, bevor zu den Grundlagen der interferometrischen Auswertung (InSAR) übergeleitet wird. Bei dieser werden Phasendifferenzen unterschiedlicher Aufnahmen für Messzwecke eingesetzt. In den Beschreibungen wird aufgezeigt, wie sich derartige Messungen für die Ermittlung von Oberflächentopographie und Fließverhalten in polaren Regionen nutzen lassen. Eine Darstellung der ebenfalls benötigten Methoden zur Bestimmung von Verschiebungen in Bildpaaren und das Messprinzip der Laseraltimetrie beenden diesen Theorieteil. Das dritte Kapitel der Arbeit ist der Vorstellung des Arbeitsgebietes und der genutzten Datensätze gewidmet. Nach der geographischen Einordnung des Untersuchungsgebietes werden die wichtigsten glaziologischen Gegebenheiten vorgestellt. In der sich anschließenden Beschreibung genutzter Datensätze werden vor allem die für diese Region verfügbaren Höhen- und Ozeangezeitenmodelle intensiver besprochen. Die Bestimmung der Oberflächentopographie durch differentielle SAR-Interferometrie (DInSAR) ist Thema des vierten Kapitels. Nachdem die nötigen technischen Aspekte des Prozessierungsablaufes knapp erläutert wurden, werden die Unterschiede bei der Doppeldifferenzbildung benachbarter und identischer Wiederholspuren herausgearbeitet. Danach wird am Beispiel gezeigt, wie mithilfe von ICESat-Daten (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) eine Basislinienverbesserung zur genaueren Höhenbestimmung durchgeführt werden kann. Die ursprünglich separat abgeleiteten Höhenmodelle werden dann zu einer gemeinsamen Lösung kombiniert, welche abschließend hinsichtlich ihrer Genauigkeit besprochen und anderen Modellen vergleichend gegenübergestellt wird. Die Ableitung von Fließgeschwindigkeiten mit dem Hintergrund einer späteren Berechnung von Massenflüssen ist Gegenstand des fünften Kapitels, wobei drei unterschiedliche Methoden genutzt werden. Im ersten Fall wird das für RADAR-Bilder typische, hochfrequente Rauschen zur Bestimmung von Verschiebungen in ALOS-Daten (Advanced Land Observing Satellite) genutzt. Mit dieser Methode können durchgehende Fließgeschwindigkeitsfelder vom aufliegenden Bereich über die Aufsetzzone bis auf das Schelfeis ermittelt werden. DesWeiteren werden aus ERS-Daten (European Remote Sensing Satellite), die über einen Zeitraum von reichlich 13 Jahren vorliegen, Verschiebungen durch die Verfolgung von unveränderten, aber sich bewegenden Eisstrukturen bestimmt. Bei der als Drittes angewendeten, interferometrischen Methode werden aufsteigende und absteigende Satellitenspuren kombiniert, um die Fließinformationen zu rekonstruieren. In den jeweiligen Sektionen wird neben der Vorstellung der Ergebnisse auch deren Genauigkeit diskutiert. Das letzte große, sechste Kapitel untergliedert sich in zwei Teile. Im ersten dieser beiden Abschnitte wird gezeigt, wie InSAR und DInSAR zur Lagekartierung der Aufsetzzone eingesetzt werden können. Dabei werden die auf diese Weise ermittelten Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Im zweiten, umfangreicheren Teil werden die zuvor gewonnenen Höhen- und Geschwindigkeitsinformationen genutzt, um deren Einfluss aus den InSAR-Messungen zu eliminieren, wodurch vertikale Höhenunterschiede mittels InSAR bestimmt werden können. Dies ist besonders für den Bereich der Aufsetzzone und des Schelfeises von Interesse, da diese Areale teilweise oder vollständig von Ozeangezeiten beeinflusst werden. Nach einer Luftdruckkorrektion werden den ermittelten Höhenunterschieden (entlang selektierter Profile) die Prädiktionen zwölf verfügbarer Ozeangezeitenmodelle gegenübergestellt. Die RMS-Werte dieser Differenzen werden abschließend genutzt, um die Qualität der Ozeangezeitenmodelle für die Region des Arbeitsgebietes einzustufen. Zum Abschluss werden in einer Zusammenfassung noch einmal die wichtigsten Ergebnisse aller Kapitel resümiert und bewertet. / The development of new satellite sensors within the last 20 years along with changes towards more sophisticated processing strategies has not only given a new impetus to remote sensing data in view of polar research but also changed how a variety of glaciological problems are being addressed today. Particularly RADAR (radio detection and ranging) sensors are well-suited for the observation of glaciated areas and have already helped to retrieve a vast amount of climate sensitive parameters from the area of Antarctica. After an introductive overview at the beginning, the second chapter continues with the description of how RADAR measurements can be used to generate remote sensing images. The principle of synthetic aperture RADAR (SAR) which allows a better focusing of the RADAR measurements and therewith a rigorous increase of the spatial resolution of the images is outlined generally before more precise descriptions explain how interferometric SAR (InSAR) analyses can be used for the determination of surface topography heights and area-wide flow velocities. Two other techniques, namely matching methods for the determination of shifts between two images as well as the laser satellite altimetry are explained at the end of this chapter which closes the theoretical basics. The next section introduces the area of interest along with data sets which were used for validation purposes. After a careful exposure of the geographical situation, single objects such as ice streams and ice shelves are described in more detail. The following part, the data set introduction, has besides the description of other measurements its focus on topography and ocean tide models which are available for the area of investigation. Chapter four deals with the estimation of surface topography heights from differential InSAR (DInSAR) analyses. Therein the major differences for the usage of similar repeat tracks in contrast to neighboring, overlapping tracks will be shown and thoroughly discussed. The example of one track will be used to demonstrate how the required baseline estimation can be achieved if ICESat (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) profiles are used as tie points. Afterwards, all separately derived height models will be combined to obtain one final solution followed by an error analysis. A comparison to other available elevation models visualizes the spatial resolution of the derived model. The utilization of three different methods for the estimation of surface flow velocities (with the background of possible mass flux determinations) is the topic of the fifth chapter. The first case describes the usage of the high frequent noise contained in RADAR images for the tracking of horizontal surface displacements. Based on ALOS (Advanced Land Observing Satellite) data a flow velocity field which extends from the interior of the ice sheet across the grounding zone up to the ice shelf will be presented. Secondly, geocoded ERS (European Remote Sensing Satellite) images covering a time span of more than 13 years are used to track the motions of well-structured flat areas (ice shelf and glacier tongue). In the third approach used descending and ascending satellite passes will be combined in conjunction with a surface parallel flow assumption to interferometrically derive flow velocities in grounded areas. In each section respective errors will be discussed in order to evaluate the accuracy of the performed measurements. The last bigger chapter, number six, is divided into two sections. In the first one the adoption of SAR and InSAR with respect to the mapping of the grounding line location will be demonstrated. Results of the entire working area will be presented and compared to other data. The second section deploys the results of topography heights and flow velocities to remove both effects from the InSAR measurements which then allows to also measure height changes. This is of particular interest for the floating areas of ice shelf which are fully affected by ocean tides as well as for the grounding zone locations which partially experience deformations due to these height changes. After the correction for air pressure, changes between the image acquisitions, height changes along selected profiles are compared to twelve different ocean tide models. The RMS values of the differences are then used to evaluate the quality of these models for the working area. The most important results and conclusions are summarized in the last chapter.

Mit der Weiterentwicklung von Sensoren und Methoden hat die Satellitenfernerkundung innerhalb der letzten 20 Jahre nicht nur einen großen Stellenwert in der Polarforschung errungen, sondern vor allem die Herangehensweisen an eine Vielzahl glaziologischer Probleme grundlegend verändert. RADAR-Sensoren (Radio Detection and Ranging) sind dabei besonders bei der Erkundung vereister Regionen hilfreich und tragen stark zur Ableitung klimasensitiver Parameter im Bereich der Antarktis bei. Nach einem einführenden Überblick im ersten wird im zweiten Kapitel mit Darstellungen zur Nutzung von RADAR-Messungen für Fernerkundungszwecke begonnen. Die zur Erhöhung der räumlichen Auflösung verwendete SAR-Prozessierung (Synthetic Aperture Radar) wird daraufhin kurz umrissen, bevor zu den Grundlagen der interferometrischen Auswertung (InSAR) übergeleitet wird. Bei dieser werden Phasendifferenzen unterschiedlicher Aufnahmen für Messzwecke eingesetzt. In den Beschreibungen wird aufgezeigt, wie sich derartige Messungen für die Ermittlung von Oberflächentopographie und Fließverhalten in polaren Regionen nutzen lassen. Eine Darstellung der ebenfalls benötigten Methoden zur Bestimmung von Verschiebungen in Bildpaaren und das Messprinzip der Laseraltimetrie beenden diesen Theorieteil. Das dritte Kapitel der Arbeit ist der Vorstellung des Arbeitsgebietes und der genutzten Datensätze gewidmet. Nach der geographischen Einordnung des Untersuchungsgebietes werden die wichtigsten glaziologischen Gegebenheiten vorgestellt. In der sich anschließenden Beschreibung genutzter Datensätze werden vor allem die für diese Region verfügbaren Höhen- und Ozeangezeitenmodelle intensiver besprochen. Die Bestimmung der Oberflächentopographie durch differentielle SAR-Interferometrie (DInSAR) ist Thema des vierten Kapitels. Nachdem die nötigen technischen Aspekte des Prozessierungsablaufes knapp erläutert wurden, werden die Unterschiede bei der Doppeldifferenzbildung benachbarter und identischer Wiederholspuren herausgearbeitet. Danach wird am Beispiel gezeigt, wie mithilfe von ICESat-Daten (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) eine Basislinienverbesserung zur genaueren Höhenbestimmung durchgeführt werden kann. Die ursprünglich separat abgeleiteten Höhenmodelle werden dann zu einer gemeinsamen Lösung kombiniert, welche abschließend hinsichtlich ihrer Genauigkeit besprochen und anderen Modellen vergleichend gegenübergestellt wird. Die Ableitung von Fließgeschwindigkeiten mit dem Hintergrund einer späteren Berechnung von Massenflüssen ist Gegenstand des fünften Kapitels, wobei drei unterschiedliche Methoden genutzt werden. Im ersten Fall wird das für RADAR-Bilder typische, hochfrequente Rauschen zur Bestimmung von Verschiebungen in ALOS-Daten (Advanced Land Observing Satellite) genutzt. Mit dieser Methode können durchgehende Fließgeschwindigkeitsfelder vom aufliegenden Bereich über die Aufsetzzone bis auf das Schelfeis ermittelt werden. DesWeiteren werden aus ERS-Daten (European Remote Sensing Satellite), die über einen Zeitraum von reichlich 13 Jahren vorliegen, Verschiebungen durch die Verfolgung von unveränderten, aber sich bewegenden Eisstrukturen bestimmt. Bei der als Drittes angewendeten, interferometrischen Methode werden aufsteigende und absteigende Satellitenspuren kombiniert, um die Fließinformationen zu rekonstruieren. In den jeweiligen Sektionen wird neben der Vorstellung der Ergebnisse auch deren Genauigkeit diskutiert. Das letzte große, sechste Kapitel untergliedert sich in zwei Teile. Im ersten dieser beiden Abschnitte wird gezeigt, wie InSAR und DInSAR zur Lagekartierung der Aufsetzzone eingesetzt werden können. Dabei werden die auf diese Weise ermittelten Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Im zweiten, umfangreicheren Teil werden die zuvor gewonnenen Höhen- und Geschwindigkeitsinformationen genutzt, um deren Einfluss aus den InSAR-Messungen zu eliminieren, wodurch vertikale Höhenunterschiede mittels InSAR bestimmt werden können. Dies ist besonders für den Bereich der Aufsetzzone und des Schelfeises von Interesse, da diese Areale teilweise oder vollständig von Ozeangezeiten beeinflusst werden. Nach einer Luftdruckkorrektion werden den ermittelten Höhenunterschieden (entlang selektierter Profile) die Prädiktionen zwölf verfügbarer Ozeangezeitenmodelle gegenübergestellt. Die RMS-Werte dieser Differenzen werden abschließend genutzt, um die Qualität der Ozeangezeitenmodelle für die Region des Arbeitsgebietes einzustufen. Zum Abschluss werden in einer Zusammenfassung noch einmal die wichtigsten Ergebnisse aller Kapitel resümiert und bewertet. / The development of new satellite sensors within the last 20 years along with changes towards more sophisticated processing strategies has not only given a new impetus to remote sensing data in view of polar research but also changed how a variety of glaciological problems are being addressed today. Particularly RADAR (radio detection and ranging) sensors are well-suited for the observation of glaciated areas and have already helped to retrieve a vast amount of climate sensitive parameters from the area of Antarctica. After an introductive overview at the beginning, the second chapter continues with the description of how RADAR measurements can be used to generate remote sensing images. The principle of synthetic aperture RADAR (SAR) which allows a better focusing of the RADAR measurements and therewith a rigorous increase of the spatial resolution of the images is outlined generally before more precise descriptions explain how interferometric SAR (InSAR) analyses can be used for the determination of surface topography heights and area-wide flow velocities. Two other techniques, namely matching methods for the determination of shifts between two images as well as the laser satellite altimetry are explained at the end of this chapter which closes the theoretical basics. The next section introduces the area of interest along with data sets which were used for validation purposes. After a careful exposure of the geographical situation, single objects such as ice streams and ice shelves are described in more detail. The following part, the data set introduction, has besides the description of other measurements its focus on topography and ocean tide models which are available for the area of investigation. Chapter four deals with the estimation of surface topography heights from differential InSAR (DInSAR) analyses. Therein the major differences for the usage of similar repeat tracks in contrast to neighboring, overlapping tracks will be shown and thoroughly discussed. The example of one track will be used to demonstrate how the required baseline estimation can be achieved if ICESat (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) profiles are used as tie points. Afterwards, all separately derived height models will be combined to obtain one final solution followed by an error analysis. A comparison to other available elevation models visualizes the spatial resolution of the derived model. The utilization of three different methods for the estimation of surface flow velocities (with the background of possible mass flux determinations) is the topic of the fifth chapter. The first case describes the usage of the high frequent noise contained in RADAR images for the tracking of horizontal surface displacements. Based on ALOS (Advanced Land Observing Satellite) data a flow velocity field which extends from the interior of the ice sheet across the grounding zone up to the ice shelf will be presented. Secondly, geocoded ERS (European Remote Sensing Satellite) images covering a time span of more than 13 years are used to track the motions of well-structured flat areas (ice shelf and glacier tongue). In the third approach used descending and ascending satellite passes will be combined in conjunction with a surface parallel flow assumption to interferometrically derive flow velocities in grounded areas. In each section respective errors will be discussed in order to evaluate the accuracy of the performed measurements. The last bigger chapter, number six, is divided into two sections. In the first one the adoption of SAR and InSAR with respect to the mapping of the grounding line location will be demonstrated. Results of the entire working area will be presented and compared to other data. The second section deploys the results of topography heights and flow velocities to remove both effects from the InSAR measurements which then allows to also measure height changes. This is of particular interest for the floating areas of ice shelf which are fully affected by ocean tides as well as for the grounding zone locations which partially experience deformations due to these height changes. After the correction for air pressure, changes between the image acquisitions, height changes along selected profiles are compared to twelve different ocean tide models. The RMS values of the differences are then used to evaluate the quality of these models for the working area. The most important results and conclusions are summarized in the last chapter.

Sjöräddning i Sverige sker genom samverkan mellan statliga verksamheter, kommuner och frivilligorganisationer för ett gemensamt mål att rädda personer som råkat i sjönöd. Tid är ofta en kritisk faktor i räddningsuppdragen men ett snabbt och oplanerat utryck riskerar samtidigt att sätta räddningsaktörerna själva i farozonen. Utvecklingen av obemannade autonoma farkoster för SAR (eng. Search And Rescue) ses som en lösning på behovet att kunna snabbt skicka hjälp till samt få ögon på incidentplatsen utan att försätta räddningsaktörerna för onödig risk. Nuvarande kommunikationssystem inom svensk sjöräddning kan dock inte hantera annan typ av information än muntlig varav räddningsaktörer endast känner till riktlinjer för hantering av muntlig information. Med ett framtida införande av autonoma farkoster kommer dock fler informationstyper att behöva hanteras i sjöräddningar varav oklarheten om vilka informationstyper autonoma farkoster samlar in och vilka datahanteringskrav som finns är problematiskt. Oklarhet om informationstyperna och deras datahanteringskrav är vidare problematiskt för utvecklingen och implementeringen av autonoma farkoster då risken finns att farkoster och tekniker utvecklas men inte får användas för att de inte är anpassade efter lagkraven på hantering av olika datatyper. I denna studie undersöks därför vilka informationstyper som autonoma farkoster kan samla in vid sjöräddning. Detta för att komma fram till vilka riktlinjer för datahantering som gäller vid sjöräddning med autonoma farkoster. Studien undersöker också vilka informationstyper som är kritiska för en SAR-sjöräddningssamverkan samt vilka informationsdelningsutmaningar som finns i dagens sjöräddning. Studien genomfördes i form av en kvalitativ fallstudie och har tillämpat ett socio-tekniskt systemperspektiv för att bättre se till helheten och besvara frågeställningarna. Resultatet av denna studie visar att autonoma farkoster kan samla in information om sin omgivning, vilket utgör grunden för att skapa en medvetenhet om situationen som är kritiskt för SAR-operationer, och kan även samla in information om sitt eget tillstånd. De lagverk som identifierats utgöra de huvudsakliga restriktionerna är kamerabevakningslagen, lagen för skydd av geografisk information, offentlighets- och sekretesslagen, GDPR och dataskyddslagen. Dessa lagverk innehåller riktlinjer för delning av information och personuppgiftsbehandling i SAR-sjöräddning. Kunskapsbidrag studien har genererat inkluderar bland annat identifiering av datatyper som kan samlas in av autonoma farkoster i en SAR-sjöräddning, och sannolikt andra typer av räddningsinsatser, och delning och hanteringskraven på de datatyperna i räddningsinsatser och därmed kunskap om vilka datatyper som är mest reglerade. Vidare kunskapsbidrag är kunskap om vilka informationstyper som är mest kritiska för SAR-sjöräddningar, och därför bör prioriteras att samlas in och delas, och identifieringen av utmaningar för informationsdelning mellan statliga verksamheter och frivilligorganisationer. / Maritime rescue in Sweden is performed through a cooperation between government agencies, municipalities and non-governmental organisations (NGOs) with the common goal of saving people in distress. Time is often a critical factor in the rescue missions but a fast and unplanned response may at the same time put the rescue workers in danger. The development of unmanned autonomous vehicles for SAR is seen as a solution to the need of being able to quickly sendhelp as well as get eyes on the scene of the incident without exposing the rescue workers for unnecessary risks. However, the current communications systems in Swedish maritime rescue are unable to handle any other type of information except verbal, meaning that rescue workers only know guidelines for handling verbal information. However, with a future implementation of autonomous vehicles, there will be a need to handle more information types in maritime rescue whereas the uncertainty regarding what kind of information autonomous vehicles collect and which data management requirements exist is problematic. The uncertainty about the information types and their data management requirements is also problematic for the development and implementation of autonomous vehicles as there is a risk that vehicles and technologies are developed but not allowed to be used because they are not adapted to the legal requirements on management of the different types of data. Therefore, in this study I examine what information types that autonomous vehicles can collect in a maritime rescue to find out what guidelines for data management that applies during a maritime rescue with autonomous vehicles. The study also examines what kind of information’s are critical for a SAR maritime rescue cooperation as well as what information sharing challenges exist in current maritime rescue. The study was performed as a qualitative case study and has used a socio-technical systems perspective so as to better see the overall picture and answer the research questions. The result shows that autonomous vehicles can collect information about their surroundings, which is the foundation for establishing situation awareness that is critical for SAR-operations, and that they can collect information about their own status. The main laws and regulations that have been identified as constituting the main restrictions are (translated from Swedish) the law of camera surveillance, the law for protection of geographical information, the public access to information and secrecy act, the GDPR and the data protection act. These contains guidelines for sharing information and the processing of personal data in SAR maritime rescue. The knowledge contributions of this study includes among others the identification of datatypes that can be collected by autonomous vehicles in SAR maritime rescue, and probably other types of rescue operations, and the sharing and management requirements on those datatypes in rescue operations and thus knowledge of what datatypes that are the most restricted. Further knowledge contributions is knowledge about which information types that are the most critical for SAR maritime rescue and thus should be prioritised for collection and sharing as well as the identification of challenges for information sharing between government agencies and NGOs.

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.

The main objectives of this research are to investigate and design low profile antennas for mobile handsets applications using the balanced concept. These antennas are considered to cover a wide range of wireless standards such as: DCS (1710-1880 MHz), PCS (1850-1990 MHz), UMTS (1920-2170 MHz), WLAN (2400-2500 MHz and 5000-5800 MHz) and UWB frequency bands. Various antennas are implemented based on built-in planar dipole with a folded arm structure. The performance of several designed antennas in terms of input return loss, radiation patterns, radiation efficiency and power gain are presented and several remarkable results are obtained. The measurements confirm the theoretical design concept and show reasonable agreement with computations. The stability performance of the proposed antenna is also evaluated by analysing the current distribution on the mobile phone ground plane. The specific absorption rate (SAR) performance of the antenna is also studied experimentally by measuring antenna near field exposure. The measurement results are correlated with the calculated ones. A new dual-band balanced antenna using coplanar waveguide structure is also proposed, discussed and tested; this is intended to eliminate the balanced feed network. The predicted and measured results show good agreement, confirming good impedance bandwidth characteristics and excellent dual-band performance. In addition, a hybrid method to model the human body interaction with a dual band balanced antenna structure covering the 2.4 GHz and 5.2 GHz bands is presented. Results for several test cases of antenna locations on the body are presented and discussed. The near and far fields were incorporated to provide a full understanding of the impact on human tissue. The cumulative distribution function of the radiation efficiency and absorbed power are also evaluated.

En Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), l’augmentation du champ magnétique statique permet en théorie de fournir un rapport signal sur bruit accru, améliorant la qualité des images. L’objectif de l’IRM à ultra haut champ est d’atteindre une résolution spatiale suffisamment haute pour pouvoir distinguer des structures si fines qu’elles sont actuellement impossibles à visualiser de façon non-invasive. Cependant, à de telles valeurs de champs magnétiques, la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique envoyé pour basculer les spins des protons de l’eau est du même ordre de grandeur que l’objet dont on souhaite faire l’image. Des phénomènes d’interférences sont observés, ce qui se traduit par l’inhomogénéité de ce champ radiofréquence (RF) au sein de l’objet. Ces interférences engendrent des artefacts de signal et/ou de contraste dans les images IRM, et rendent ainsi leur exploitation délicate. Il est donc crucial de fournir des solutions pour atténuer la non-uniformité de l’excitation des spins, à défaut de quoi de tels systèmes ne pourront atteindre leurs pleins potentiels. Pour obtenir des diagnostics pertinents à très haut champ, il est donc nécessaire de créer des impulsions RF homogénéisant l'excitation de l'ensemble des spins (ici du cerveau humain), optimisées pour chaque individu. Pour cela, un système de transmission parallèle (pTX) à 8 canaux a été installé au sein de notre imageur à 7 Tesla. Alors que la plupart des systèmes IRM cliniques n’utilisent qu’un seul canal d’émission, l’extension pTX permet de jouer différentes formes d’impulsions RF de concert. La somme résultante de ces interférences doit alors être optimisée pour atténuer la non-uniformité observée classiquement. L’objectif de cette thèse est donc de synthétiser ce type d’impulsions, en utilisant la pTX. Ces impulsions auront pour contrainte supplémentaire le respect des limitations internationales concernant l'exposition à des champs radiofréquence, qui induit une hausse de température dans les tissus. En ce sens, de nombreuses simulations électromagnétiques et de températures ont été réalisées en introduction de cette thèse, afin d’évaluer la relation entre les seuils recommandés d’exposition RF et l’élévation de température prédite dans les tissus. Cette thèse porte plus spécifiquement sur la conception de l’ensemble des impulsions RF refocalisantes utilisées dans des séquences IRM non-sélectives, basées sur l’écho de spin. Dans un premier temps, seule une impulsion RF a été générée, pour une application simple : l’inversion du déphasage des spins dans le plan transverse. Dans un deuxième temps, sont considérées les séquences à long train d’échos de refocalisation appliquées à l’in vivo. Ici, l’opérateur mathématique agissant sur la magnétisation, et non pas son état final comme il est fait classiquement, est optimisé. Le gain en imagerie à très haut champ est clairement visible puisque les opérations mathématiques (la rotation des spins) voulues sont réalisées avec plus de fidélité que dans le cadre des méthodes de l’état de l’art. Pour cela, la génération de ces impulsions RF combine une méthode d’excitation des spins avec navigation dans l’espace de Fourier, les kT-points, et un algorithme d’optimisation, appelé Gradient Ascent Pulse Engineering (GRAPE), utilisant le contrôle optimal. Cette conception est rapide grâce à des calculs analytiques plus directs que des méthodes de différences finies. La prise en compte d’un grand nombre de paramètres nécessite l’usage de GPUs (Graphics Processing Units) pour atteindre des temps de calcul compatibles avec un examen clinique. Cette méthode de conception d’impulsions RF a été validée expérimentalement sur l’imageur 7 Tesla de NeuroSpin, sur une cohorte de volontaires sains. / In Magnetic Resonance Imaging (MRI), the increase of the static magnetic field strength is used to provide in theory a higher signal-to-noise ratio, thereby improving the overall image quality. The purpose of ultra-high-field MRI is to achieve a spatial image resolution sufficiently high to be able to distinguish structures so fine that they are currently impossible to view in a non-invasive manner. However, at such static magnetic fields strengths, the wavelength of the electromagnetic waves sent to flip the water proton spins is of the same order of magnitude than the scanned object. Interference wave phenomena are then observed, which are caused by the radiofrequency (RF) field inhomogeneity within the object. These generate signal and/or contrast artifacts in MR images, making their exploitation difficult, if not impossible, in certain areas of the body. It is therefore crucial to provide solutions to mitigate the non-uniformity of the spins excitation. Failing this, these imaging systems with very high fields will not reach their full potential.For relevant high field clinical diagnosis, it is therefore necessary to create RF pulses homogenizing the excitation of all spins (here of the human brain), and optimized for each individual to be imaged. For this, an 8-channel parallel transmission system (pTX) was installed in our 7 Tesla scanner. While most clinical MRI systems only use a single transmission channel, the pTX extension allows to simultaneously playing various forms of RF pulses on all channels. The resulting sum of the interference must be optimized in order to reduce the non-uniformity typically seen.The objective of this thesis is to synthesize this type of tailored RF pulses, using parallel transmission. These pulses will have as an additional constraint the compliance with the international exposure limits for radiofrequency exposure, which induces a temperature rise in the tissue. In this sense, many electromagnetic and temperature simulations were carried out as an introduction of this thesis, in order to assess the relationship between the recommended RF exposure limits and the temperature rise actually predicted in tissues.This thesis focuses specifically on the design of all RF refocusing pulses used in non-selective MRI sequences based on the spin-echo. Initially, only one RF pulse was generated for a simple application: the reversal of spin dephasing in the transverse plane, as part of a classic spin echo sequence. In a second time, sequences with very long refocusing echo train applied to in vivo imaging are considered. In all cases, the mathematical operator acting on the magnetization, and not its final state as is done conventionally, is optimized. The gain in high field imaging is clearly visible, as the necessary mathematical operations (that is to say, the rotation of the spins) are performed with a much greater fidelity than with the methods of the state of the art. For this, the generation of RF pulses is combining a k-space-based spin excitation method, the kT-points, and an optimization algorithm, called Gradient Ascent Pulse Engineering (GRAPE), using optimal control.This design is relatively fast thanks to analytical calculations rather than finite difference methods. The inclusion of a large number of parameters requires the use of GPUs (Graphics Processing Units) to achieve computation times compatible with clinical examinations. This method of designing RF pulses has been experimentally validated successfully on the NeuroSpin 7 Tesla scanner, with a cohort of healthy volunteers. An imaging protocol was developed to assess the image quality improvement using these RF pulses compared to typically used non-optimized RF pulses. All methodological developments made during this thesis have contributed to improve the performance of ultra-high-field MRI in NeuroSpin, while increasing the number of MRI sequences compatible with parallel transmission.

Ces travaux de recherche proposent une approche expérimentale pour étudier les capacités de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection des zones humides dans le sous-sol des régions arides terrestres et martiennes et la cartographie géologique de leur proche subsurface. En particulier, l'analyse phasimétrique d'images SAR (bande L) de la Dune du Pyla nous a permis de mettre en évidence un comportement particulier de la différence de phase copolaire, lié à la présence d'une zone humide dans la subsurface. Afin d'interpréter et de modéliser ce phénomène, nous avons développé un modèle analytique de diffusion simple, de type IEM, complété par une expression analytique du terme de diffusion par réflexion multiple. Simulant avec succès le phénomène observé, notre modèle confirme que le signal de phase est généré par le profil d'humidité des structures enfouies occasionnant une composante de diffusion par réflexion multiple. Il a également été montré que ce signal de phase copolaire permet la détection d'interfaces humides à des profondeurs plus importantes que celles autorisées par l'analyse des indicateurs radiométriques classiques. Participant au programme Terrestrial Analog to Mars de la NASA, nous avons également travaillé à la définition des performances d'un système SAR orbital en bande P pour la détection d'humidité dans la proche subsurface de la planète Mars, au moyen de la phase radar. Incluant un terme de diffusion de volume, notre précédent modèle IEM montre que la présence d'hétérogénéités dans les premiers mètres de la croûte martienne pourrait altérer les performances de la différence de phase copolaire pour la détection d'humidité en terme de profondeur d'investigation. Néanmoins, nos résultats de simulations indiquent qu'un tel système SAR, exploitant la phase copolaire, autoriserait la détection de l'humidité et son suivi à l'échelle saisonnière jusqu'à des profondeurs de 3 mètres dans les régions présentant un contexte géologique favorable i.e. une faible concentration de diffuseurs de surface et de proche subsurface. Au-delà de la détection d'humidité des sols, nous avons également cherché à mettre en évidence l'apport de l'imagerie radar pour les applications de cartographie d'interfaces géologiques à grande échelle au moyen de systèmes radar orbitaux. L'analyse polarimétrique de données SIR-C/XSAR pour la Mauritanie a permis de montrer le potentiel de l'imagerie radar basse fréquence pour la détection de structures géologiques de surface ainsi que pour la cartographie de la paléo-hydrologie de la proche subsurface en contexte aride. En particulier, nos résultats ont montré que les données polarimétriques fournissent non seulement des éléments d'information sur les mécanismes de diffusion mis en jeu, mais permettent également de différencier les structures de surface par la rugosité qu'elles occasionnent, des structures de subsurface par la diffusion de volume qu'elles génèrent.