Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Methodology for Dynamic Stability and Robustness Analysis of Commercial-Power-Module-Based DC-Distributed Systems

El propósito de esta tesis es presentar una metodología para realizar análisis de la dinámica en pequeña señal y el comportamiento de sistemas de alimentación distribuidos de corriente continua (CC), formados por módulos comerciales. Para ello se hace uso de un método sencillo que indica los márgenes de estabilidad menos conservadores posibles mediante un solo número. Este índice es calculado en cada una de las interfaces que componen el sistema y puede usarse para obtener un índice global que indica la estabilidad del sistema global. De esta manera se posibilita la comparación de sistemas de alimentación distribuidos en términos de robustez. La interconexión de convertidores CC-CC entre ellos y con los filtros EMI necesarios puede originar interacciones no deseadas que dan lugar a la degradación del comportamiento de los convertidores, haciendo el sistema más propenso a inestabilidades. Esta diferencia en el comportamiento se debe a interacciones entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. En la mayoría de los casos, los sistemas de alimentación distribuida están formados por módulos comerciales cuya estructura interna es desconocida. Por ello los análisis presentados en esta tesis se basan en medidas de la respuesta en frecuencia del convertidor que pueden realizarse desde los terminales de entrada y salida del mismo. Utilizando las medidas de las impedancias de entrada y salida de los elementos del sistema, se puede construir una función de sensibilidad que proporciona los márgenes de estabilidad de las diferentes interfaces. En esta tesis se utiliza el concepto del valor máximo de la función de sensibilidad (MPC por sus siglas en inglés) para indicar los márgenes de estabilidad como un único número. Una vez que la estabilidad de todas las interfaces del sistema se han evaluado individualmente, los índices obtenidos pueden combinarse para obtener un único número con el que comparar la estabilidad de diferentes sistemas. Igualmente se han analizado las posibles interacciones en la entrada y la salida de los convertidores CC-CC, obteniéndose expresiones analíticas con las que describir en detalle los acoplamientos generados en el sistema. Los estudios analíticos realizados se han validado experimentalmente a lo largo de la tesis. El análisis presentado en esta tesis se culmina con la obtención de un índice que condensa los márgenes de estabilidad menos conservativos. También se demuestra que la robustez del sistema está asegurada si las impedancias utilizadas en la función de sensibilidad se obtienen justamente en la entrada o la salida del subsistema que está siendo analizado. Por otra parte, la tesis presenta un conjunto de parámetros internos asimilados a impedancias, junto con sus expresiones analíticas, que permiten una explicación detallada de las interacciones en el sistema. Dichas expresiones analíticas pueden obtenerse bien mediante las funciones de transferencia analíticas si se conoce la estructura interna, o utilizando medidas en frecuencia o identificación de las mismas a través de la respuesta temporal del convertidor. De acuerdo a las metodologías presentadas en esta tesis se puede predecir la estabilidad y el comportamiento de sistemas compuestos básicamente por convertidores CC-CC y filtros, cuya estructura interna es desconocida. La predicción se basa en un índice que condensa la información de los márgenes de estabilidad y que permite la obtención de un indicador de la estabilidad global de todo el sistema, permitiendo la comparación de la estabilidad de diferentes arquitecturas de sistemas de alimentación distribuidos. ABSTRACT The purpose of this thesis is to present dynamic small-signal stability and performance analysis methodology for dc-distributed systems consisting of commercial power modules. Furthermore, the objective is to introduce simple method to state the least conservative margins for robust stability as a single number. In addition, an index characterizing the overall system stability is obtained, based on which different dc-distributed systems can be compared in terms of robustness. The interconnected systems are prone to impedance-based interactions which might lead to transient-performance degradation or even instability. These systems typically are constructed using commercial converters with unknown internal structure. Therefore, the analysis presented throughout this thesis is based on frequency responses measurable from the input and output terminals. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria, derived from the behavior of impedance-based sensitivity function that provides a single number to state robust stability. Using this concept, the stability information at every system interface is combined to a meaningful number to state the average robustness of the system. In addition, theoretical formulas are extracted to assess source and load side interactions in order to describe detailed couplings within the system. The presented theoretical analysis methodologies are experimentally validated throughout the thesis. In this thesis, according to the presented analysis, the least conservative stability margins are provided as a single number guaranteeing robustness. It is also shown that within the interconnected system the robust stability is ensured only if the impedance-based minor-loop gain is determined at the very input or output of each subsystem. Moreover, a complete set of impedance-type internal parameters as well as the formulas according to which the interaction sensitivity can be fully explained and analyzed, is provided. The given formulation can be utilized equally either based on measured frequency responses, time-domain identified internal parameters or extracted analytic transfer functions. Based on the analysis methodologies presented in this thesis, the stability and performance of interconnected systems consisting of converters with unknown internal structure, can be predicted. Moreover, the provided concept to assess the least conservative stability margins enables to obtain an index to state the overall robust stability of distributed power architecture and thus to compare different systems in terms of stability.