Some new results on majority-logic codes for correction of random errors

The main advantages of random error-correcting majority-logic codes and majority-logic decoding in general are well known and two-fold. Firstly, they offer a partial solution to a classical coding theory problem, that of decoder complexity. Secondly, a majority-logic decoder inherently corrects many more random error patterns than the minimum distance of the code implies is possible. The solution to the decoder complexity is only a partial one because there are circumstances under which a majority-logic decoder is too complex and expensive to implement. [Continues.

Theory and application of the adjoint method in geodynamics and an extended review of analytical solution methods to the Stokes equation

The initial condition problem with respect to the temperature distribution in the Earth's mantle is Pandora's box of geodynamics. The heat transport inside the Earth follows the principles of advection and conduction. But since conduction is an irreversible process, this mechanism leads to a huge amount of information getting lost over time. Due to this reason, a recovery of a detailed state of the Earth's mantle some million years ago is an intrinsically unsolvable problem. In this work we present a novel mathematical method, the adjoint method in geodynamics, that is not capable of solving but of circumventing the presented initial condition problem by reformulating this task in terms of an optimisation problem. We are aiming at a past state of the Earth's mantle that approaches the current and thus, observable state over time in an optimal way. To this end, huge computational resources are needed since the 'optimal' solution can only be found in an iterative process. In this work, we developed a new general operator formulation in order to determine the adjoint version of the governing equations of mantle flow and applied this method to the high-resolution numerical mantle circulation code TERRA. For our models, we used a global grid spacing of approx. 30 km and more than 80 million mesh elements. We found a reconstruction of the Earth's mantle at 40 Ma that is, with respect to our modelling parameters, consistent with today's observations, gathered from seismic tomography. With this published fundamental work, we are opening the door to a variety of future applications, e.g. a possible incorporation of geological and geodetic data sets as further constraints for the model trajectory over geological time scales. Where high-resolution numerical models and even the implementation of inversion schemes have become feasible over the past decades due to increasing computational resources, in the community there is still a high demand for analytical solution methods. Restricting the physical parameter space in the governing equations, e.g. by only allowing for a radial varying viscosity, it can be shown that in some cases, the resulting simplified equations can even be solved in a (semi-)analytical way. In other words, in these simplified scenarios, no large scale computational resources or even high-performance clusters are needed but the solution for a global flow system can be determined in minutes even on a standard computer. Besides this apparent advantage, analytical and numerical solutions can even go hand-in-hand since numerical computer codes may be tested and benchmarked by means of these manufactured solutions. Here, we spend a large portion of this work with a detailed derivation of these analytical approaches. We basically start from scratch, having the intention to cover all possible traps and pitfalls on the way from the governing equations to their solutions and to provide a service to future scientists that are stuck somewhere in the middle of this road. Besides the derivation, we also present in detail how such an analytical approach can be used as a benchmark for a high-resolution mantle circulation code. We applied this theory to the prototype for a new high-performance mantle convection framework being developed in the Terra-Neo project and published the results along with a small portion of the derived theory. In an additional chapter of this work, we focus on a detailed analysis of the current state of the Earth's gravitational field that is measured in an unimaginably accurate way by the recent satellite missions CHAMP, GRACE and GOCE. The origin of the link of our work to the gravitational field also lies in the analytical solution methods. It can be shown that due to the effect of flow induced dynamic topography, the Earth's gravity field is highly sensitive to the viscosity profile in the Earth's mantle. We show that even without using any other external knowledge or data set, the gravitational field itself restricts the possible choices for the Earth's mantle viscosity to a well-defined parameter space. Furthermore, in the course of these examinations, we found that mantle processes are not capable of explaining the short wavelength signals in the observed gravity field at all, even with the best-fitting viscosity profile. To this end, we developed a simple crustal model that is only based on topographic data (ETOPO) and the principle of isostasy and showed that even with this very basic approach we can explain the majority of short length-scale features in the observed gravity signal. Finally, in combination with a (simple, static and analytic) mantle flow model based on a density field derived from seismic topography and mineralogy, we found a nearly perfect fit of modelled and observed gravitational data throughout all wavelengths under consideration (spherical harmonic degree and order up to l=100)

Graph Coverings with Few Eigenvalues or No Short Cycles

This thesis addresses the extent of the covering graph construction. How much must a cover X resemble the graph Y that it covers? How much can X deviate from Y? The main statistics of X and Y which we will measure are their regularity, the spectra of their adjacency matrices, and the length of their shortest cycles. These statistics are highly interdependent and the main contribution of this thesis is to advance our understanding of this interdependence. We will see theorems that characterize the regularity of certain covering graphs in terms of the number of distinct eigenvalues of their adjacency matrices. We will see old examples of covers whose lack of short cycles is equivalent to the concentration of their spectra on few points, and new examples that indicate certain limits to this equivalence in a more general setting. We will see connections to many combinatorial objects such as regular maps, symmetric and divisible designs, equiangular lines, distance-regular graphs, perfect codes, and more. Our main tools will come from algebraic graph theory and representation theory. Additional motivation will come from topological graph theory, finite geometry, and algebraic topology

Network information theory for classical-quantum channels

Network information theory is the study of communication problems involving multiple senders, multiple receivers and intermediate relay stations. The purpose of this thesis is to extend the main ideas of classical network information theory to the study of classical-quantum channels. We prove coding theorems for quantum multiple access channels, quantum interference channels, quantum broadcast channels and quantum relay channels. A quantum model for a communication channel describes more accurately the channel's ability to transmit information. By using physically faithful models for the channel outputs and the detection procedure, we obtain better communication rates than would be possible using a classical strategy. In this thesis, we are interested in the transmission of classical information, so we restrict our attention to the study of classical-quantum channels. These are channels with classical inputs and quantum outputs, and so the coding theorems we present will use classical encoding and quantum decoding. We study the asymptotic regime where many copies of the channel are used in parallel, and the uses are assumed to be independent. In this context, we can exploit information-theoretic techniques to calculate the maximum rates for error-free communication for any channel, given the statistics of the noise on that channel. These theoretical bounds can be used as a benchmark to evaluate the rates achieved by practical communication protocols. Most of the results in this thesis consider classical-quantum channels with finite dimensional output systems, which are analogous to classical discrete memoryless channels. In the last chapter, we will show some applications of our results to a practical optical communication scenario, in which the information is encoded in continuous quantum degrees of freedom, which are analogous to classical channels with Gaussian noise.Comment: Ph.D. Thesis, McGill University, School of Computer Science, July 2012, 223 pages, 18 figures, 36 TikZ diagram

Multiuser non coherent massive MIMO schemes based on DPSK for future communication systems

The explosive usage of rich multimedia content in wireless devices has overloaded the communication networks. Moreover, the fifth generation (5G) of wireless communications involves new requirements in the radio access network (RAN) which require higher network capacities and new capabilities such as ultra-reliable and low-latency communication (URLLC), vehicular communications or augmented reality. All this has encouraged a remarkable spectrum crisis in the RF bands. A need for searching alternative techniques with more spectral efficiency to accommodate the needs of future emerging wireless communications is emerging. In this context, massive MIMO (m-MIMO) systems have been proposed as a promising solution for providing a substantial increase in the network capacity, becoming one of the key enabling technologies for 5G and beyond. m-MIMO provides high spectral- and energy-efficiency thanks to the deployment of a large number of antennas at the BS. However, we have to take into account that the current communication technologies are based on coherent transmission techniques so far, which require the transmission of a huge amount of signaling. This drawback is escalating with the excessive available number of antennas in m-MIMO. Therefore, the differential encoding and non coherent (NC) detection are an alternative solution to circumvent the drawbacks of m-MIMO in coherent systems. This Ph.D. Thesis is focused on signal processing techniques for NC detection in conjunction with m-MIMO, proposing new constellation designs and NC detection algorithms, where the information is transmitted in the signal differential phase. First, we design new constellation schemes for an uplink multiuser NC m-MIMO system in Rayleigh fading channels. These designs allow us to separate the users' signals at the receiver thanks to a one-to-one correspondence between the constellation for each user and the received joint constellation. Two approaches are considered in terms of BER: each user achieves a different performance and, on the other hand, the same performance is provided for all users. We analyze the number of antennas needed for those designs and compare to the required number by other designs in the literature. It is shown that our designs based on DPSK require a lower number of antennas than that required by their counterpart schemes based on energy. In addition, we compare the performance to their coherent counterpart systems, resulting NC-m-MIMO based on DPSK capable of outperforming the coherent systems with the suitable designs. Second, in order to reduce the number of antennas required for a target performance we propose a multi-user bit interleaved coded modulation - iterative decoding (BICM-ID) scheme as channel coding for a NC-m-MIMO system based on DPSK. We propose a novel NC approach for calculating EXIT curves based on the number of antennas. Then using the EXIT chart we find the best channel coding scheme for our NC-m-MIMO proposal. We show that the number of users served by the BS can be increased with a 70% reduction in the number of antennas with respect to the case without channel coding. In particular, we show that with 100 antennas for error protection equal design for all users and a coding rate of 1/2 we achieve the minimum probability of error. Third, we consider that current scenarios such as backhaul wireless systems, rural or suburban environments, and even new device-to-device (D2D) communications or the communications in higher frequencies (millimeter and the emerging ones in terahertz frequencies) can have a predominant line-of-sight (LOS) component, modeled by Rician fading. For all these new possible scenarios in 5G, we analyze the behavior of the NC m-MIMO systems when we have a Rician fading. We present a new constellation design to overcome the problem of the LOS channel component, as well as an associated detection algorithm to separate each user in reception taking into account the characterization of the constellation. In addition, for contemplating a more realistic scenario, we propose grouping users which experience a Rayleigh fading with those with Rician fading, analyzing the SINR and the performance of such combination in a multi-user NC m-MIMO system based on M-DPSK. The adequate user grouping allows unifying the constellation for both groups of users and the detection algorithm, reducing the complexity of the receiver. Also, the number of users that may be multiplexed may be further increased thanks to the improved performance. In the fourth part of this Thesis, we analyse the performance of multi-user NC m- MIMO based on DPSK in real environments and practical channels defined for the current standards such as LTE, the future technologies such as 5G and even for communications in the terahertz band. For this purpose, we use a metric to model the time-varying characteristics of the practical channels. We employ again the EXIT charts tool for analyzing and designing iteratively decoded systems. This analysis allows us to obtain an estimate of the degradation of the system's performance imposed by realistic channels. Hence, we show that our proposed system is robust to temporal variations, thus it is more recommendable the employment of NC-m-MIMO-DPSK in the future communication standards such as 5G. In order to reduce he number of hardware resources required in terms of RF chains, facilitating its implementation in a real system, we propose incorporating differential spatial modulation (DSM). We present and analyze a novel multiuser scheme for NC-m-MIMO combined with DSM with which we can see that the number of antennas is not a affected by the incorporation of DSM, even we have an improvement on the performance with respect to the coherent case. Finally, we study the viability of multiplexing users by constellation schemes against classical multiplexing techniques such as time division multiple access (TDMA). In order to fully characterize the system performance we analyze the block error rate (BLER) and the throughput of a NC-m-MIMO system. The results show a significant advantage regarding the number of antennas for multiplexing in the constellation against TDMA. However, in some cases, the demodulation of multiple users in constellation could require an excessively large number of antennas compared to TDMA. Therefore, it is necessary to properly manage the tradeoff between throughout and the number of antennas, to reach an optimal operational point, as shown in this Thesis.El inmenso uso de contenido multimedia en los dispositivos inalámbricos ha sobrecargado las redes de comunicaciones. Además, la quinta generación (5G) de sistemas de comunicaciones demanda nuevos requisitos para la red de acceso radio, la cual requiere ofrecer capacidades de red mayores y nuevas funcionalidades como comunicaciones ultra fiables y con muy poca letancia (URLLC), comunicaciones vehiculares o aplicaciones como la realidad aumentada. Todo esto ha propiciado una crisis notable en el espectro electromagnético, lo que ha llevado a una necesidad por buscar técnicas alternativas con más eficiencia espectral para acomodar todos los requisitos de las tecnologías de comunicaciones emergentes y futuras. En este contexto, los sistemas multi antena masivos, conocidos como massive MIMO, m-MIMO, han sido propuestos como una solución prometedora que proporciona un incremento substancial de la capacidad de red, convirtiéndose en una de las tecnologías claves para el 5G. Los sistemas m-MIMO elevan enormemente el número de antenas en la estación base, lo que les permite ofrecer alta eficiencia espectral y energética. No obstante, tenemos que tener en cuenta que las actuales tecnologías de comunicaciones emplean técnicas coherentes, las cuales requieren de información del estado del canal y por ello la transmisión de una enorme cantidad de información de señalización. Este inconveniente se ve agravado en el caso del m-MIMO debido al enorme número de antenas. Por ello, la codificación diferencial y la detección no coherente (NC) son una solución alternativa para solventar el problema de m-MIMO en los sistemas coherentes. Esta Tesis se centra en las técnicas de procesado de señal para detección NC junto con m-MIMO, proponiendo nuevos esquemas de constelación y algoritmos de detección NC, donde la información sea transmitida en la diferencia de fase de la señal. Primero, diseñamos nuevas constelaciones para un sistema multi usuario NC en m- MIMO en enlace ascendente (uplink) en canales con desvanecimiento tipo Rayleigh. Estos diseños nos permiten separar las señales de los usuarios en el receptor gracias a la correspondencia unívoca entre la constelación de cada usuario individual y la constelación conjunta recibida en la estación base. Hemos considerado dos enfoques para el diseño en términos de probabilidad de error: cada usuario consigue un rendimiento distinto, mientras que por otro lado, todos los usuarios son capaces de recibir las mismas prestaciones de probabilidad de error. Analizamos el número de antenas necesario para estos diseños y comparamos con el número requerido por otros diseños propuestos en la literatura. Nuestro diseño basado en DPSK requiere un número menor de antenas comparado con los sistemas basados en detección de energía. También comparamos con su homólogo coherente, resultando que NC-m-MIMO basado en DPSK es capaz de superar a los sistemas coherentes con los diseños adecuados. En segundo lugar, para reducir el número de antenas requerido para un rendimiento dado, proponemos incluir un esquema de codificación de canal. Hemos optado por un esquema de modulación codificado por bit entrelazado y decodificación iterativa (BICMID). Hemos empleado la herramienta EXIT chart para el diseño de la codificación de canal, proponiendo un nuevo enfoque para calcular las curvas EXIT de forma NC y basadas en el número de antenas. Los resultados muestran que el número de usuarios servidos por la estación base puede ser incrementado reduciendo un 70% el número de antenas con respecto al caso sin codificación de canal. En particular, para un array de 100 antenas y un diseño que ofrezca iguales prestaciones a todos los usuarios, con un código de tasa 1=2, podemos conseguir la mínima probabilidad de error. En tercer lugar, consideramos escenarios donde el canal tenga una componente predominante de visión directa (LOS) con la estación base modelada mediante un desvanecimiento tipo Rician. Por ejemplo, sistemas inalámbricos de backhaul, entornos rurales o sub urbanos, comunicaciones entre dispositivos (D2D), también cuando nos movemos hacia frecuencias superiores como son en la banda de milimétricas o más recientemente, la banda de terahercios para buscar mayores anchos de banda. Todos estos escenarios están contemplados en el futuro 5G. Los diseños presentados para canales Rayleigh ya no son válidos debido a la componente LOS del canal, por ello presentamos un nuevo diseño de constelación que resuelve el problema de la componente LOS, así como una guía para diseñar nuevas constelaciones. También proponemos un algoritmo asociado al diseñno de la constelación para poder separar a los usuarios en recepción. Además, para contemplar un escenario más realista donde podamos encontrar tanto desvanecimiento Rayleigh como Rice, proponemos agrupar usuarios de ambos grupos, analizando su rendimiento y relación señal a interferencia en la combinación. El adecuado agrupamiento permite unificar el diseño de la constelación para ambos desvanecimientos y por tanto reducir la complejidad en el receptor. También, el número de usuarios multiplicados en la constelación podría ser incrementado, gracias a la mejora en el rendimiento. El cuarto módulo de esta tesis es dedicado a analizar el rendimiento de los diseños propuestos en presencia de canales reales, donde disponemos de variabilidad temporal y en frecuencia. Proponemos usar una métrica que modela las características de la variabilidad temporal y, usando de nuevo la herramienta EXIT, analizamos los sistemas decodificados iterativamente considerando ahora los parámetros prácticos del canal. Este análisis nos permite obtener una estimación de la degradación que sufre el rendimiento del sistema impuesto por canales reales. Los resultados muestran que los sistemas NC-m-MIMO basados en DPSK son muy robustos a la variabilidad temporal por lo que son recomendables para los nuevos escenarios propuestos por el 5G, donde el canal cambia rápidamente. Otra consideración para introducir los sistemas NC con m-MIMO es la problemática de necesitar muchas cadenas de radio frecuencia que llevarían a tamaños de dispositivos enormes. Para reducir este número se propone la modulación espacial. En esta Tesis, estudiamos su uso con los sistemas NC, proponiendo una solución de modulación espacial diferencial para esquemas con múltiples usuarios combinado con NC-m-MIMO. Finalmente, estudiamos la viabilidad de multiplexar usuarios en la constelación frente a usar técnicas clásicas de multiplexación como TDMA. Para caracterizar completamente el rendimiento del sistema, analizamos la tasa de error de bloque (BLER) y el throughput de un sistema NC-m-MIMO. Los resultados muestran una ventaja significativa en cuanto al número de antennas para multiplexar usuarios en la constelación frente al requerido por TDMA. No obstante, en algunos casos, la demodulación de múltiples usuarios en la constelación podría requerir un número de antennas excesivamente grande comparado con la multiplexación en el tiempo. Por ello, es necesario gestionar adecuadamente un balance entre el throughput y el número de antenas para alcanzar un punto operacional óptimo, como se muestra en esta Tesis.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Ana Isabel Pérez Neira.- Secretario: Máximo Morales Céspedes.- Vocal: María del Carmen Aguayo Torre

Mechanical performance and sustainability assessment of reinforced soil walls

Soil reinforced retaining wall structures are materiallymore efficientthan competing construction solutions such as gravity and cantilever walls. Nevertheless, the behaviour and interactions between the com ponent materials are com plex and not fully understood. Current design methods are typically limited to simple cases with respect to material properties, geometry, and boundary conditions. Advanced numerical models using finite element and/or finite difference methods offer the possibilityto extend the understanding ofthese systems and to predictwall performance under operational conditions. In this Thesis, numerical models were developed and shown to give satisfactory predictions ofwall behavior when compared with results of instrumented physical structures. The verified models were useful for sensitivity analyses using a range ofwall geometries and boundaryconditions, material parameters and different constitutive models. As examples ofthe obtained results, the compressibility ofthe precast panel bearing pads significantly modified the axial vertical facing load but has no significant effect on the tension developed in the soil reinforcement layers. Also, the stiffness ofthe foundation soil has greater effect on the tension developed in soil steel reinforcing elements than for polymeric reinforcement layers.lt has been possible to perform sensitivity analysis using parameters that define soil-structure interactions. Such interactions have been analyzed using different commercial software programs and bydefining them with elements from the continuum media using 2D and 3D models. Laboratory reinforcement pullout tests using steelladder and polymeric strips were performed as part of the Thesis. Those parameters that have the greatest influence on soil-reinforcement interaction are identified, quantified, and compared to default-design wlues anda range ofvalues used to calibrate numerical models. From the results of2D and 3D numerical models suitable correlations have been obtained to allow 2D models to be used in plane strain reinforced soil walls with discontinuous soil reinforcement elements in the running walllength ofthese structures. With a proper sustainability assessment it has been possible to make quantitative comparisons between reinforced soil wall structures and other alternativés performing the same function (such as gravity and cantilever walls) construcfed to different heights. Using a modelbased on the multi-attributeutilitytheoryand wlue analysis decision-making, the best solutions with least negative impact were identified in an example set of alternative earth retaining wall options from a sustainable perspective. The results include possible scenarios based on the relative importance ofthe three pillars ofsustainability(i.e., environmental, economic, and sociallfunctional) as judged bydifferentstakeholders. Reinforced soil walls turned outto be the best choice in most cases analyzed, based on a quantitative end score. The models and analysis methodologies developed as part ofthis Thesis work have improved understanding ofthe behavior ofthese structures, and offered possibilities to improve and optimize designs in the future.Els murs de contenció amb sòl reforçat són estructures materialment més eficients que altres solucions constructives alternatives, com ara els murs de gravetat o en voladís. No obstant això, el seu comportament i les interaccions entre els materials que componen aquestes estructures són complexos i no entesos completament. Els mètodes de disseny actuals solen estar limitats a casos senzills respecte a les propietats dels materials, la geometria i les condicions de contorn. Models numèrics avançats utilitzant elements finits i/o diferències finites ofereixen la possibilitat d'ampliar la comprensió d’aquests sistemes estructurals i de predir el comportament de l'estructura en condicions de servei. En aquesta Tesi s'han desenvolupat models numèrics que han demostrat donar prediccions satisfactòries del comportament d’aquest tipus de murs quan es comparen amb resultats obtinguts d'estructures físiques instrumentades. Aquests models verificats han estat útils per a poder fer anàlisis de sensibilitat segons diferents geometries del parament i condicions de contorn, paràmetres dels materials i diferents models constitutius. Com a exemple dels resultats obtinguts, s’ha determinat que la capacitat de compressió de les peces de recolzament dels panells prefabricats modifica de manera significativa la càrrega desenvolupada vertical axial en el parament, però no té un efecte significatiu en la tensió desenvolupada a les capes de reforç del sòl. O també, que la rigidesa del sòl de fonamentació té un efecte més gran sobre la tensió desenvolupada en elements de reforç metàl·lics que en polimèrics. Ha estat possible dur a terme anàlisis de sensibilitat utilitzant els paràmetres que defineixen les interaccions sòl-estructura. Aquestes interaccions han estat analitzades utilitzant diferents programes comercials numèrics i definint-les amb elements del medi continu tant en models 2D com en 3D. Com a part de la Tesi, s'han de dut a terme assaigs de laboratori d'extracció de reforços tipus malla metàl·lica i banda polimèrica. Els paràmetres que tenen una influència principal en la interacció sòl-reforç han sigut identificats, quantificats i comparats tant amb els valors per defecte de disseny com amb valors reportats a la literatura utilitzats per a calibrar models analítics, permetent el calibratge dels models numèrics generats. Dels resultats dels models 2D i 3D s’han obtingut correlacions que permeten concloure que els models 2D en deformació plana són adequats per a representar el funcionament de les estructures de sòl reforçat amb elements de reforç discontinus a la direcció del parament. Mitjançant una avaluació adequada de la sostenibilitat ha estat possible fer comparacions quantitatives entre estructures de sòl reforçat i altres alternatives constructives que compleixen la mateixa funció (com els murs de gravetat o en voladís) construïdes a diferents altures. Mitjançant un model basat en la teoria de la utilitat multiatribut i d’anàlisi de valor per a la presa de decisions, es van identificar els processos més representatius i de major impacte des d’un punt de vista sostenible. Els resultats obtinguts inclouen un ajust basat en possibles escenaris de presa de decisió per la importància relativa dels tres pilars de la sostenibilitat (ambiental, econòmic, i social/funcional). L'alternativa de sòl reforçat va resultar ser la millor, obtenint una puntuació més alta en gran part dels escenaris de presa de decisió considerats. En base a una puntuació quantitativa final, els murs de sòl reforçat van resultar ser la millor opció en la majoria dels casos analitzats. Els models i metodologies d'anàlisi desenvolupades com a part de aquest treball de Tesi han millorat la comprensió del comportament d’aquestes estructures, i ofereixen possibilitats per a millorar i optimitzar els seus dissenys en el futurLos muros de contención con suelo reforzado son estructuras materialmente más eficientes que otras soluciones constructivas alternativas, tales como los muros de gravedad o en voladizo. Sin embargo, su comportamiento y las interacciones entre los materiales que componen estas estructuras son complejos y no completamente comprendidos. Los métodos de diseño actuales suelen estar limitados a casos sencillos con respecto a las propiedades de los materiales, la geometría y las condiciones de contorno. Modelos numéricos avanzados utilizando elementos finitos y/o diferencias finitas ofrecen la posibilidad de ampliar la comprensión de estos sistemas y de predecir el comportamiento de la estructura en condiciones de servicio. En esta Tesis se han desarrollado modelos numéricos que han demostrado dar predicciones satisfactorias del comportamiento de este tipo de muros cuando se comparan con resultados obtenidos de estructuras físicas instrumentadas. Estos modelos verificados han sido útiles para análisis de sensibilidad según diferentes geometrías del paramento y condiciones de contorno, parámetros de los materiales y diferentes modelos constitutivos. Como ejemplo de los resultados obtenidos, la capacidad de compresión de las piezas de apoyo de los paneles prefabricados modifica de manera significativa la carga vertical axial desarrollada en el paramento, pero no tiene un efecto significativo en la tensión desarrollada en las capas de refuerzo del suelo. O también, que la rigidez del suelo de cimentación tiene un mayor efecto sobre la tensión desarrollada en elementos de refuerzo metálicos que en poliméricos. Ha sido posible llevar a cabo análisis de sensibilidad utilizando los parámetros que definen las interacciones suelo-estructura. Tales interacciones han sido analizadas utilizando diferentes programas numéricos comerciales y definiéndolas con elementos del medio continuo tanto en modelos 2D como 3D. Como parte de la Tesis, se han llevado a cabo ensayos de laboratorio de extracción de refuerzos tipo malla metálica y banda polimérica. Los parámetros que tienen una mayor influencia en la interacción suelo-refuerzo han sido identificados, cuantificados y comparados tanto con los valores por defecto de diseño como con valores reportados en la literatura usados para calibrar modelos analíticos, permitiendo la calibración numérica de los modelos generados. De los resultados de los modelos 2D y 3D se han obtenido correlaciones que permiten concluir que los modelos 2D en deformación plana son adecuados para representar el funcionamiento de las estructuras de suelo reforzado con elementos de refuerzo discontinuos en la dirección del paramento. Con una evaluación adecuada sostenibilidad ha sido posible hacer comparaciones cuantitativas entre estructuras de suelo reforzado y otras alternativas constructivas que cumplen la misma función (tales como los muros de gravedad o en voladizo) construidas a diferentes alturas. Mediante un modelo basado en la teoría de la utilidad multiatributo y análisis de valor para la toma de decisiones, se identificaron los procesos más representativos y de mayor impacto desde un punto de vista sostenible. Los resultados obtenidos incluyen un ajuste basado en posibles escenarios de toma de decisión por la importancia relativa de los tres pilares de la sostenibilidad (ambiental, económico, y social/funcional). La alternativa de suelo reforzado resultó ser la mejor, obteniendo una mayor puntuación en gran parte de los escenarios de toma de decisión considerados. En base a una puntuación final cuantitativa, los muros de suelo reforzado resultaron ser la mejor opción en la mayoría de los casos analizados. Los modelos y metodologías de análisis desarrolladas como parte de este trabajo de Tesis han mejorado la comprensión del comportamiento de estas estructuras, y ofrecen posibilidades para mejorar y optimizar sus diseños en el futuroPostprint (published version

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2021, nr 1

kwartalni

On the properties of point defects in silicon nanostructures from ab initio calculations

In this thesis we apply a variety of computational methods based on density-functional theory (DFT) to the study of defect centres in bulk silicon and silicon nanostructures. Firstly, we discuss the system-size convergence of point defect properties in the supercell method for deep-level defects in bulk silicon; we consider both the vacancy and gold impurity. For the vacancy, we investigate systematically the main contributions to the finite size error that lead to the well-known slow convergence with respect to system size of defect properties, and demonstrate that different properties of interest can benefit from the use of different k-point sampling schemes. We also present a simple and accurate method for calculating the potential alignment correction to the valence band maximum of charged defect supercells by using maximally-localised Wannier functions, and show that the localised view of the electronic structure provided by them gives a clear description of the nature of the electronic bonding at the defect centre. For the gold impurity, we show that the system becomes a non-spin-polarised negative-U centre due to the effect of Jahn-Teller distortion, thus providing a simple explanation for the absent electron paramagnetic resonance signal for gold in silicon. The calculated transition levels are found to be in excellent agreement with experimental measurements. We then investigate the segregation of arsenic impurities in silicon close to an interface with amorphous silica. We employ a multiscale approach, generating a realistic disordered interface structure from Monte Carlo simulation, with a continuous random network model of the system parametrised from DFT. We calculate the segregation energy using DFT for a large number of substitutional sites encompassing all the oxidation states of silicon, and show that the results can be understood with a minimal model based only on the local strain and volume of the defect site.Open Acces