Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Implementation of wireless communication based on Software Defined Radio

In current communication systems, there are many new challenges like various competitive standards, the scarcity of frequency resource, etc., especially the development of personal wireless communication systems result the new system update faster than ever before, the conventional hardware-based wireless communication system is difficult to adapt to this situation. The emergence of SDR enabled the third revolution of wireless communication which from hardware to software and build a flexible, reliable, upgradable, reusable, reconfigurable and low cost platform. The Universal Software Radio Peripheral (USRP) products are commonly used with the GNU Radio software suite to create complex SDR systems. GNU Radio is a toolkit where digital signal processing blocks are written in C++, and connected to each other with Python. This makes it easy to develop more sophisticated signal processing systems, because many blocks already written by others and you can quickly put them together to create a complete system. Although the main function of GNU Radio is not be a simulator, but if there is no RF hardware components,it supports to researching the signal processing algorithm based on pre-stored and generated data by signal generator. This thesis introduced SDR platform from hardware (USRP) and software(GNU Radio), as well as some basic modulation techniques in wireless communication system. Based on the examples provided by GNU Radio, carried out some related experiments, for example GSM scanning and FM radio station receiving on USRP. And make a certain degree of improvement based on the experience of some investigators to observe OFDM spectrum and simulate real-time video transmission. GNU Radio combine with USRP hardware proved to be a valuable lab platform for implementing complex radio system prototypes in a short time. RESUMEN. Software Defined Radio (SDR) es una tecnología emergente que está creando un impacto revolucionario en la tecnología de radio convencional. Un buen ejemplo de radio software son los sistemas de código abierto llamados GNU Radio que emplean un kit de herramientas de desarrollo de software libre. En este trabajo se ha empleado un kit de desarrollo comercial (Ettus Research) que consiste en un módulo de procesado de señal y un hardaware sencillo. El módulo emplea un software de desarrollo basado en Linux sobre el que se pueden implementar aplicaciones de radio software muy variadas. El hardware de desarrollo consta de un microprocesador de propósito general, un dispositivo programable (FPGA) y un interfaz de radiofrecuencia que cubre de 50 a 2200MHz. Este hardware se conecta al PC por medio de un interfaz USB de 8Mb/s de velocidad. Sobre la plataforma de Ettus se pueden ejecutar aplicaciones GNU radio que utilizan principalmente lenguaje de programación Python para implementarse. Sin embargo, su módulo de procesado de señal está construido en C + + y emplea un microprocesador con aritmética de coma flotante. Por lo tanto, los desarrolladores pueden rápida y fácilmente construir aplicaciones en tiempo real sistemas de comunicación inalámbrica de alta capacidad. Aunque su función principal no es ser un simulador, si no puesto que hay componentes de hardware RF, Radio GNU sirve de apoyo a la investigación del algoritmo de procesado de señales basado en pre-almacenados y generados por los datos del generador de señal. En este trabajo fin de máster se ha evaluado la plataforma de hardware de DEG (USRP) y el software (GNU Radio). Para ello se han empleado algunas técnicas de modulación básicas en el sistema de comunicación inalámbrica. A partir de los ejemplos proporcionados por GNU Radio, hemos realizado algunos experimentos relacionados, por ejemplo, escaneado del espectro, demodulación de señales de FM empleando siempre el hardware de USRP. Una vez evaluadas aplicaciones sencillas se ha pasado a realizar un cierto grado de mejora y optimización de aplicaciones complejas descritas en la literatura. Se han empleado aplicaciones como la que consiste en la generación de un espectro de OFDM y la simulación y transmisión de señales de vídeo en tiempo real. Con estos resultados se está ahora en disposición de abordar la elaboración de aplicaciones complejas.

WiMAX,Technology and Market.

Wireless communication is the transfer of information from one place to another without using wires. From the earliest times, humans have felt the need to develop techniques of remote communication. From this need arose the smoke signals, communication by sun reflection in mirrors and so on. But today the telecommunications electronic devices such as telephone, television, radio or computer. Radio and television are used for one-way communication. Telephone and computer are used for two-way communication. In wireless networks there is almost unlimited mobility, we can access the network almost anywhere or anytime. In wired networks we have the restriction of using the services in fixed area services. The demand of the wireless is increasing very fast; everybody wants broadband services anywhere anytime. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is a broadband wireless technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005 that appears to solve this demand. WIMAX is a system that allows wireless data transmission in areas of up to 48 km of radius. It is designed as a wireless alternative to ADSL and a way to connect nodes in wireless metropolitan areas network. Unlike wireless systems that are limited in most cases, about 100 meter, providing greater coverage and more bandwidth. WIMAX promises to achieve high data transmission rates over large areas with a great amount of users. This alternative to the networks of broadband access common as DSL o Wi-Fi, can give broadband access to places quickly to rural areas and developing areas around the world. This paper is a study of WIMAX technology and market situation. First, the paper is responsible for explaining the technical aspects of WIMAX. For this gives an overview of WIMAX standards, physical layer, MAC layer and WiMAX, Technology and Market Beijing University of Post and Telecommunications 2 WIMAX network architecture. Second, the paper address the issue of market in which provides an overview of development and deployment of WIMAX to end the future development trend of WIMAX is addressed. RESUMEN: Por comunicaciones inalámbricas se entiende la transferencia de información desde un lugar a otro sin la necesidad de un soporte físico como es por ejemplo el cable. Por lo que remontándose a los principios de la existencia del ser humano, nos damos cuenta de que el ser humano siempre ha sentido la necesidad de desarrollar técnicas para lograr comunicarse a distancia con sus semejantes. De dicha necesidad, surgieron técnicas tan ancestrales como puede ser la comunicación mediante señales de humo o por reflexión de los rayos solares en espejos entre otras. La curiosidad del ser humano y la necesidad de comunicarse a distancia fue la que llevó a Alexander Graham Bell a inventar el teléfono en 1876. La aparición de un dispositivo que permitía comunicarse a distancia permitiendo escuchar la voz de aquella persona con la que se quería hablar, supuso una revolución no solo en el panorama tecnológico, si no también en el panorama social. Pues a parte de permitir comunicaciones a larga distancia, solventó el problema de la comunicación en “tiempo real”. A raíz de este invento, la tecnología en materia de comunicación ha ido avanzando significativamente, más concretamente en lo referido a las comunicaciones inalámbricas. En 1973 se realizó la primera llamada desde un terminal móvil aunque no fue hasta 1983 cuando se empezó a comercializar dicho terminal, lo que supuso un cambio de hábitos y costumbres para la sociedad. Desde la aparición del primer móvil el crecimiento del mercado ha sido exponencial, lo que ha repercutido en una demanda impensable de nuevas aplicaciones integradas en dichos dispositivos móviles que satisfagan las necesidades que día a día autogenera la sociedad. Tras conseguir realizar llamadas a larga distancia de forma inalámbrica, el siguiente paso fue la creación de los SMS (Short Message System) lo que supuso una nueva revolución además de abaratar costes al usuario a la hora de comunicarse. Pero el gran reto para la industria de las comunicaciones móviles surgió con la aparición de internet. Todo el mundo sentía la necesidad de poder conectarse a esa gran base de datos que es internet en cualquier parte y en cualquier momento. Las primeras conexiones a internet desde dispositivos móviles se realizaron a través de la tecnología WAP (Wireless Application Protocol) hasta la aparición de la tecnología GPRS que permitía la conexión mediante protocolo TCP/IP. A partir de estas conexiones han surgido otras tecnologías, como EDGE, HSDPA, etc., que permitían y permiten la conexión a internet desde dispositivos móviles. Hoy en día la demanda de servicios de red inalámbrica crece de forma rápida y exponencial, todo el mundo quiere servicios de banda ancha en cualquier lugar y en cualquier momento. En este documento se analiza la tecnología WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) que es una tecnología de banda ancha basada en el estándar IEEE 802.16 creada para brindar servicios a la demanda emergente en la banda ancha desde un punto de vista tecnológico, donde se da una visión de la parte técnica de la tecnología; y desde el punto de vista del mercado, donde se analiza el despliegue y desarrollo de la tecnología desde el punto de vista de negocio. WiMAX es una tecnología que permite la transmisión inalámbrica de datos en áreas de hasta 48Km de radio y que está diseñada como alternativa inalámbrica para ADSL y para conectar nodos de red inalámbrica en áreas metropolitanas. A diferencia de los sistemas inalámbricos existentes que están limitados en su mayoría a unos cientos de metros, WiMAX ofrece una mayor cobertura y un mayor ancho de banda que permita dar soporte a nuevas aplicaciones, además de alcanzar altas tasas de transmisión de datos en grandes áreas con una gran cantidad de usuarios. Se trata de una alternativa a las redes de acceso de banda ancha como DSL o Wi-Fi, que puede dar acceso de banda ancha a lugares tales como zonas rurales o zonas en vías de desarrollo por todo el mundo con rapidez. Existen dos tecnologías de WiMAX, WiMAX fijo (basado en el estándar IEEE 802.16d-2004) y WiMAX móvil (basado en el estándar IEEE 802.16e-2005). La tecnología fija está diseñada para comunicaciones punto a multipunto, mientras que la fija lo está para comunicaciones multipunto a multipunto. WiMAX móvil se basa en la tecnología OFDM que ofrece ventajas en términos de latencia, eficiencia en el uso del espectro y soporte avanzado para antenas. La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente al desvanecimiento debido a las condiciones meteorológicas y frente a las interferencias de RF. Una vez creada la tecnología WiMAX, poseedora de las características idóneas para solventar la demanda del mercado, ha de darse el siguiente paso, hay que convencer a la industria de las telecomunicaciones de que dicha tecnología realmente es la solución para que apoyen su implantación en el mercado de la banda ancha para las redes inalámbricas. Es aquí donde entra en juego el estudio del mercado que se realiza en este documento. WiMAX se enfrenta a un mercado exigente en el que a parte de tener que dar soporte a la demanda técnica, ha de ofrecer una rentabilidad económica a la industria de las comunicaciones móviles y más concretamente a las operadoras móviles que son quienes dentro del sector de las telecomunicaciones finalmente han de confiar en la tecnología para dar soporte a sus usuarios ya que estos al fin y al cabo lo único que quieren es que su dispositivo móvil satisfaga sus necesidades independientemente de la tecnología que utilicen para tener acceso a la red inalámbrica de banda ancha. Quizás el mayor problema al que se ha enfrentado WiMAX haya sido la situación económica en la que se encuentra el mundo. WiMAX a comenzado su andadura en uno de los peores momentos, pero aun así se presenta como una tecnología capaz de ayudar al mundo a salir hacia delante en estos tiempos tan duros. Finalmente se analiza uno de los debates existentes hoy en día en el sector de las comunicaciones móviles, WiMAX vs. LTE. Como se puede observar en el documento realmente una tecnología no saldrá victoriosa frente a la otra, si no que ambas tecnologías podrán coexistir y trabajar de forma conjunta.

Open multi-technology building energy management system

Energy Efficiency is one of the goals of the Smart Building initiatives. This paper presents an Open Energy Management System which consists of an ontology-based multi-technology platform and a wireless transducer network using 6LoWPAN communication technology. The system allows the integration of several building automation protocols and eases the development of different kind of services to make use of them. The system has been implemented and tested in the Energy Efficiency Research Facility at CeDInt-UPM.

Spatial sampling methods for improved communication for wireless relay robots

Having reliable wireless communication in a network of mobile robots is an ongoing challenge, especially when the mobile robots are given tasks in hostile or harmful environments such as radiation environments in scientific facilities, tunnels with large metallic components and complicated geometries as found at CERN. In this paper, we propose a decentralised method for improving the wireless network throughput by optimizing the wireless relay robot position to receive the best wireless signal strength using implicit spatial diversity concepts and gradient-search algorithms. We experimentally demonstrate the effectiveness of the proposed solutions with a KUKA Youbot omni-directional mobile robot. The performance of the algorithms is compared under various scenarios in an underground scientific facility at CERN.

La telefonía móvil : el impacto social

El objetivo de este proyecto ha sido el de realizar un análisis del importante desarrollo que han sufrido las telecomunicaciones, haciendo un especial hincapié en la telefonía móvil y el impacto y repercusión que ha causado actualmente en nuestra sociedad. Para ello se hará un repaso evolutivo de las tecnologías de la información y las telecomunicaciones, y se establecerá una relación entre la gran difusión de éstas y su efecto sobre los usos, y cambios percibidos por los consumidores del nuevo siglo. Ciertamente la historia de la tecnología, nos enseña que la gente y las organizaciones acaban utilizándola para unos propósitos muy diferentes de aquellos que inicialmente fueron concebidas. Además cuanto más interactiva sea una tecnología, tanto más probable será que los usuarios se conviertan en productores o modificadores de la misma. Por tanto, la sociedad necesita resolver las incógnitas que pueda suscitar el rápido y continúo cambio de las comunicaciones. Este proyecto trata de ayudar a responder alguna de las cuestiones que actualmente se están planteando. ¿Son los teléfonos móviles una expresión de identidad, artilugios de moda, herramientas de la vida cotidiana, o todo lo anterior? ¿Existen nuevos modelos de comportamiento y conducta social? ¿La comunicación móvil está favoreciendo la aparición de una nueva cultura joven con un lenguaje propio basado en la comunicación textual y multimodal? ¿Tienen los teléfonos móviles efectos nocivos en la salud? La respuesta a estas preguntas afecta a nuestras vidas y también condiciona las políticas públicas y las estrategias de negocio, por eso requiere adquirir un conocimiento cimentado en la información, y la recopilación de datos de diversas fuentes, tanto de estadísticas provenientes de diferentes estudios e investigaciones, como de empresas consultoras, siempre basada en una perspectiva global. En conjunto, se espera dentro de los límites del conocimiento actual, contribuir a establecer las bases para el análisis y valoración de la relación existente entre comunicación, tecnología y sociedad en todo el mundo. Abstract The purpose of this project has been to analyse the significant development undergone by telecommunications, putting a special emphasis on mobile phones and the impact it has caused in society. We will go over the evolution of IT technologies and telecommunications as well as establish a relationship between its spread and effect of its uses and changes understood by the new century consumers. Technology history shows us that people and organizations use it for very different purposes from those originally thought. Furthermore, the more interactive technologies are, the more users will modify or produce it. Therefore, society needs to solve the mysteries of the quick and continuous change of communications. This project tries to help and answer some of the questions considered these days. Are mobile phones an expression of identity, fashionable devices, tools for everyday life or all at once? Are there any new models of performance and social behaviour? Is mobile communication favouring the existence of a new young culture with a typical language based on textual and multimodal communication? Are mobile phones bad for our health? The answer to these questions affects us all and conditions public politics and business strategies so it is required to get firm knowledge based on information. It is also important to compile data from various sources, from statistics of research and studies, based on a global perspective. As a whole, we hope to contribute to establish the bases for the future analysis and assessment of a fundamental trend that is redefining the relationship between communication, technology and society worldwide by transforming the wireless networks that make our lives.

Structural health monitoring network system with wireless communications inside closed aerospace structures

Structural Health Monitoring (SHM) requires integrated "all in one" electronic devices capable of performing analysis of structural integrity and on-board damage detection in aircraft?s structures. PAMELA III (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment, version III) SHM embedded system is an example of this device type. This equipment is capable of generating excitation signals to be applied to an array of integrated piezoelectric Phased Array (PhA) transducers stuck to aircraft structure, acquiring the response signals, and carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA III is connected with a host computer in order to receive the configuration parameters and sending the obtained SHM maps, alarms and so on. This host can communicate with PAMELA III through an Ethernet interface. To avoid the use of wires where necessary, it is possible to add Wi-Fi capabilities to PAMELA III, connecting a Wi-Fi node working as a bridge, and to establish a wireless communication between PAMELA III and the host. However, in a real aircraft scenario, several PAMELA III devices must work together inside closed structures. In this situation, it is not possible for all PAMELA III devices to establish a wireless communication directly with the host, due to the signal attenuation caused by the different obstacles of the aircraft structure. To provide communication among all PAMELA III devices and the host, a wireless mesh network (WMN) system has been implemented inside a closed aluminum wingbox. In a WMN, as long as a node is connected to at least one other node, it will have full connectivity to the entire network because each mesh node forwards packets to other nodes in the network as required. Mesh protocols automatically determine the best route through the network and can dynamically reconfigure the network if a link drops out. The advantages and disadvantages on the use of a wireless mesh network system inside closed aerospace structures are discussed.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Energy Management and Optimization for Video Decoders based on Functional-oriented Reconfiguration

In recent years, the increasing sophistication of embedded multimedia systems and wireless communication technologies has promoted a widespread utilization of video streaming applications. It has been reported in 2013 that youngsters, aged between 13 and 24, spend around 16.7 hours a week watching online video through social media, business websites, and video streaming sites. Video applications have already been blended into people daily life. Traditionally, video streaming research has focused on performance improvement, namely throughput increase and response time reduction. However, most mobile devices are battery-powered, a technology that grows at a much slower pace than either multimedia or hardware developments. Since battery developments cannot satisfy expanding power demand of mobile devices, research interests on video applications technology has attracted more attention to achieve energy-efficient designs. How to efficiently use the limited battery energy budget becomes a major research challenge. In addition, next generation video standards impel to diversification and personalization. Therefore, it is desirable to have mechanisms to implement energy optimizations with greater flexibility and scalability. In this context, the main goal of this dissertation is to find an energy management and optimization mechanism to reduce the energy consumption of video decoders based on the idea of functional-oriented reconfiguration. System battery life is prolonged as the result of a trade-off between energy consumption and video quality. Functional-oriented reconfiguration takes advantage of the similarities among standards to build video decoders reconnecting existing functional units. If a feedback channel from the decoder to the encoder is available, the former can signal the latter changes in either the encoding parameters or the encoding algorithms for energy-saving adaption. The proposed energy optimization and management mechanism is carried out at the decoder end. This mechanism consists of an energy-aware manager, implemented as an additional block of the reconfiguration engine, an energy estimator, integrated into the decoder, and, if available, a feedback channel connected to the encoder end. The energy-aware manager checks the battery level, selects the new decoder description and signals to build a new decoder to the reconfiguration engine. It is worth noting that the analysis of the energy consumption is fundamental for the success of the energy management and optimization mechanism. In this thesis, an energy estimation method driven by platform event monitoring is proposed. In addition, an event filter is suggested to automate the selection of the most appropriate events that affect the energy consumption. At last, a detailed study on the influence of the training data on the model accuracy is presented. The modeling methodology of the energy estimator has been evaluated on different underlying platforms, single-core and multi-core, with different characteristics of workload. All the results show a good accuracy and low on-line computation overhead. The required modifications on the reconfiguration engine to implement the energy-aware manager have been assessed under different scenarios. The results indicate a possibility to lengthen the battery lifetime of the system in two different use-cases.