Contribución a los modelos de gestión de las redes móviles ad hoc

La capacidad de comunicación de los seres humanos ha crecido gracias a la evolución de dispositivos móviles cada vez más pequeños, manejables, potentes, de mayor autonomía y más asequibles. Esta tendencia muestra que en un futuro próximo cercano cada persona llevaría consigo por lo menos un dispositivo de altas prestaciones. Estos dispositivos tienen incorporados algunas formas de comunicación: red de telefonía, redes inalámbricas, bluetooth, entre otras. Lo que les permite también ser empleados para la configuración de redes móviles Ad Hoc. Las redes móviles Ad Hoc, son redes temporales y autoconfigurables, no necesitan un punto de acceso para que los nodos intercambien información entre sí. Cada nodo realiza las tareas de encaminador cuando sea requerido. Los nodos se pueden mover, cambiando de ubicación a discreción. La autonomía de estos dispositivos depende de las estrategias de como sus recursos son utilizados. De tal forma que los protocolos, algoritmos o modelos deben ser diseñados de forma eficiente para no impactar el rendimiento del dispositivo, siempre buscando un equilibrio entre sobrecarga y usabilidad. Es importante definir una gestión adecuada de estas redes especialmente cuando estén siendo utilizados en escenarios críticos como los de emergencias, desastres naturales, conflictos bélicos. La presente tesis doctoral muestra una solución eficiente para la gestión de redes móviles Ad Hoc. La solución contempla dos componentes principales: la definición de un modelo de gestión para redes móviles de alta disponibilidad y la creación de un protocolo de enrutamiento jerárquico asociado al modelo. El modelo de gestión propuesto, denominado High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN), es definido en una estructura de cuatro niveles, acceso, distribución, inteligencia e infraestructura. Además se describen los componentes de cada nivel: tipos de nodos, protocolos y funcionamiento. Se estudian también las interfaces de comunicación entre cada componente y la relación de estas con los niveles definidos. Como parte del modelo se diseña el protocolo de enrutamiento Ad Hoc, denominado Backup Cluster Head Protocol (BCHP), que utiliza como estrategia de encaminamiento el empleo de cluster y jerarquías. Cada cluster tiene un Jefe de Cluster que concentra la información de enrutamiento y de gestión y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para mejorar la disponibilidad de la red el protocolo utiliza un Jefe de Cluster de Respaldo el que asume las funciones del nodo principal del cluster cuando este tiene un problema. El modelo HAMAN es validado a través de un proceso la simulación del protocolo BCHP. El protocolo BCHP se implementa en la herramienta Network Simulator 2 (NS2) para ser simulado, comparado y contrastado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con el protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Abstract The communication skills of humans has grown thanks to the evolution of mobile devices become smaller, manageable, powerful, more autonomy and more affordable. This trend shows that in the near future each person will carry at least one high-performance device. These high-performance devices have some forms of communication incorporated: telephony network, wireless networks, bluetooth, among others. What can also be used for configuring mobile Ad Hoc networks. Ad Hoc mobile networks, are temporary and self-configuring networks, do not need an access point for exchange information between their nodes. Each node performs the router tasks as required. The nodes can move, change location at will. The autonomy of these devices depends on the strategies of how its resources are used. So that the protocols, algorithms or models should be designed to efficiently without impacting device performance seeking a balance between overhead and usability. It is important to define appropriate management of these networks, especially when being used in critical scenarios such as emergencies, natural disasters, wars. The present research shows an efficient solution for managing mobile ad hoc networks. The solution comprises two main components: the definition of a management model for highly available mobile networks and the creation of a hierarchical routing protocol associated with the model. The proposed management model, called High Availability Management Ad Hoc Network (HAMAN) is defined in a four-level structure: access, distribution, intelligence and infrastructure. The components of each level: types of nodes, protocols, structure of a node are shown and detailed. It also explores the communication interfaces between each component and the relationship of these with the levels defined. The Ad Hoc routing protocol proposed, called Backup Cluster Head Protocol( BCHP), use of cluster and hierarchies like strategies. Each cluster has a cluster head which concentrates the routing information and management and sent to the destination when out of cluster coverage area. To improve the availability of the network protocol uses a Backup Cluster Head who assumes the functions of the node of the cluster when it has a problem. The HAMAN model is validated accross the simulation of their BCHP routing protocol. BCHP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2) to be simulated, compared and contrasted with a hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and a routing protocol called Reactive Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV).

Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

Evaluación de protocolos de encaminamiento en una red inalámbrica mallada desplegada en una zona rural

The implementation of wireless communication systems in rural areas through the deployment of data networks in infrastructure mode is often inadequate due to its high cost and no fault tolerant centralized structure. Mesh networks can overcome these limitations while increases the coverage area in a more flexible way. This paper proposes the performance evaluation of the routing protocols IEEE 802.11s and Batman-Adv on an experimental wireless mesh network deployed in a rural environment called Lachocc, which is a community located at 4700 MASL in the Huancavelica region in Peru. The evaluation was based on the measurement of quality of service parameters such as bandwidth, delay and delay variation. As a result, it was determined that both protocols offer a good performance, but in most of the cases, Batman-Adv provides slightly better performance

Un modelo de encaminamiento en las redes móviles ad hoc con QoS

En la última década ha aumentado en gran medida el interés por las redes móviles Ad Hoc. La naturaleza dinámica y sin infraestructura de estas redes, exige un nuevo conjunto de algoritmos y estrategias para proporcionar un servicio de comunicación fiable extremo a extremo. En el contexto de las redes móviles Ad Hoc, el encaminamiento surge como una de las áreas más interesantes para transmitir información desde una fuente hasta un destino, con la calidad de servicio de extremo a extremo. Debido a las restricciones inherentes a las redes móviles, los modelos de encaminamiento tradicionales sobre los que se fundamentan las redes fijas, no son aplicables a las redes móviles Ad Hoc. Como resultado, el encaminamiento en redes móviles Ad Hoc ha gozado de una gran atención durante los últimos años. Esto ha llevado al acrecentamiento de numerosos protocolos de encaminamiento, tratando de cubrir con cada uno de ellos las necesidades de los diferentes tipos de escenarios. En consecuencia, se hace imprescindible estudiar el comportamiento de estos protocolos bajo configuraciones de red variadas, con el fin de ofrecer un mejor encaminamiento respecto a los existentes. El presente trabajo de investigación muestra precisamente una solución de encaminamiento en las redes móviles Ad Hoc. Dicha solución se basa en el mejoramiento de un algoritmo de agrupamiento y la creación de un modelo de encaminamiento; es decir, un modelo que involucra la optimización de un protocolo de enrutamiento apoyado de un mecanismo de agrupación. El algoritmo mejorado, denominado GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) y basado en el WCA (Weighted Clustering Algorithm), permite calcular el mejor número y tamaño de grupos en la red. Con esta mejora se evitan constantes reagrupaciones y que los jefes de clústeres tengan más tiempo de vida intra-clúster y por ende una estabilidad en la comunicación inter-clúster. En la tesis se detallan las ventajas de nuestro algoritmo en relación a otras propuestas bajo WCA. El protocolo de enrutamiento Ad Hoc propuesto, denominado QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), utiliza como estrategia el empleo de clúster y jerarquías apoyada en el algoritmo de agrupamiento. Cada clúster tiene un jefe de clúster (JC), quien administra la información de enrutamiento y la envía al destino cuando esta fuera de su área de cobertura. Para evitar que haya constantes reagrupamientos y llamados al algoritmo de agrupamiento se consideró agregarle un jefe de cluster de soporte (JCS), el que asume las funciones del JC, siempre y cuando este haya roto el enlace con los otros nodos comunes del clúster por razones de alejamiento o por desgaste de batería. Matemáticamente y a nivel de algoritmo se han demostrado las mejoras del modelo propuesto, el cual ha involucrado el mejoramiento a nivel de algoritmo de clustering y del protocolo de enrutamiento. El protocolo QoSG-CBRP, se ha implementado en la herramienta de simulación Network Simulator 2 (NS2), con la finalidad de ser comparado con el protocolo de enrutamiento jerárquico Cluster Based Routing Protocol (CBRP) y con un protocolo de enrutamiento Ad Hoc reactivo denominado Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). Estos protocolos fueron elegidos por ser los que mejor comportamiento presentaron dentro de sus categorías. Además de ofrecer un panorama general de los actuales protocolos de encaminamiento en redes Ad Hoc, este proyecto presenta un procedimiento integral para el análisis de capacidades de la propuesta del nuevo protocolo con respecto a otros, sobre redes que tienen un alto número de nodos. Estas prestaciones se miden en base al concepto de eficiencia de encaminamiento bajo parámetros de calidad de servicio (QoS), permitiendo establecer el camino más corto posible entre un nodo origen y un nodo destino. Con ese fin se han realizado simulaciones con diversos escenarios para responder a los objetivos de la tesis. La conclusiones derivadas del análisis de los resultados permiten evaluar cualitativamente las capacidades que presenta el protocolo dentro del modelo propuesto, al mismo tiempo que avizora un atractivo panorama en líneas futuras de investigación. ABSTRACT In the past decade, the interest in mobile Ad Hoc networks has greatly increased. The dynamic nature of these networks without infrastructure requires a new set of algorithms and strategies to provide a reliable end-to-end communication service. In the context of mobile Ad Hoc networks, routing emerges as one of the most interesting areas for transmitting information from a source to a destination, with the quality of service from end-to-end. Due to the constraints of mobile networks, traditional routing models that are based on fixed networks are not applicable to Ad Hoc mobile networks. As a result, the routing in mobile Ad Hoc networks has experienced great attention in recent years. This has led to the enhancement of many routing protocols, trying to cover with each one of them, the needs of different types of scenarios. Consequently, it is essential to study the behavior of these protocols under various network configurations, in order to provide a better routing scheme. Precisely, the present research shows a routing solution in mobile Ad Hoc networks. This solution is based on the improvement of a clustering algorithm, and the creation of a routing model, ie a model that involves optimizing a routing protocol with the support of a grouping mechanism. The improved algorithm called GMWCA (Group Management Weighted Clustering Algorithm) and based on the WCA (Weighted Clustering Algorithm), allows to calculate the best number and size of groups in the network. With this enhancement, constant regroupings are prevented and cluster heads are living longer intra-cluster lives and therefore stability in inter-cluster communication. The thesis details the advantages of our algorithm in relation to other proposals under WCA. The Ad Hoc routing protocol proposed, called QoS Group Cluster Based Routing Protocol (QoSG-CBRP), uses a cluster-employment strategy and hierarchies supported by the clustering algorithm. Each cluster has a cluster head (JC), who manages the routing information and sends it to the destination when is out of your coverage area. To avoid constant rearrangements and clustering algorithm calls, adding a support cluster head (JCS) was considered. The JCS assumes the role of the JC as long as JC has broken the link with the other nodes in the cluster for common restraining reasons or battery wear. Mathematically and at an algorithm level, the improvements of the proposed model have been showed, this has involved the improvement level clustering algorithm and the routing protocol. QoSG-CBRP protocol has been implemented in the simulation tool Network Simulator 2 (NS2), in order to be compared with the hierarchical routing protocol Cluster Based Routing Protocol (CBRP) and with the reactive routing protocol Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing (AODV). These protocols were chosen because they showed the best individual performance in their categories. In addition to providing an overview of existing routing protocols in Ad Hoc networks, this project presents a comprehensive procedure for capacity analysis of the proposed new protocol with respect to others on networks that have a high number of nodes. These benefits are measured based on the concept of routing efficiency under the quality of service (QoS) parameters, thus allowing for the shortest possible path between a source node and a destination node. To meet the objectives of the thesis, simulations have been performed with different scenarios. The conclusions derived from the analysis of the results to assess qualitatively the protocol capabilities presented in the proposed model, while an attractive scenario for future research appears.

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.

LiDAR remote sensing applied to forest resources assessment

Disponer de información precisa y actualizada de inventario forestal es una pieza clave para mejorar la gestión forestal sostenible y para proponer y evaluar políticas de conservación de bosques que permitan la reducción de emisiones de carbono debidas a la deforestación y degradación forestal (REDD). En este sentido, la tecnología LiDAR ha demostrado ser una herramienta perfecta para caracterizar y estimar de forma continua y en áreas extensas la estructura del bosque y las principales variables de inventario forestal. Variables como la biomasa, el número de pies, el volumen de madera, la altura dominante, el diámetro o la altura media son estimadas con una calidad comparable a los inventarios tradicionales de campo. La presente tesis se centra en analizar la aplicación de los denominados métodos de masa de inventario forestal con datos LIDAR bajo diferentes condiciones y características de masa forestal (bosque templados puros y mixtos) y utilizando diferentes bases de datos LiDAR (información proveniente de vuelo nacionales e información capturada de forma específica). Como consecuencia de lo anterior, se profundiza en la generación de inventarios forestales continuos con LiDAR en grandes áreas. Los métodos de masa se basan en la búsqueda de relaciones estadísticas entre variables predictoras derivadas de la nube de puntos LiDAR y las variables de inventario forestal medidas en campo con el objeto de generar una cartografía continua de inventario forestal. El rápido desarrollo de esta tecnología en los últimos años ha llevado a muchos países a implantar programas nacionales de captura de información LiDAR aerotransportada. Estos vuelos nacionales no están pensados ni diseñados para fines forestales por lo que es necesaria la evaluación de la validez de esta información LiDAR para la descripción de la estructura del bosque y la medición de variables forestales. Esta información podría suponer una drástica reducción de costes en la generación de información continua de alta resolución de inventario forestal. En el capítulo 2 se evalúa la estimación de variables forestales a partir de la información LiDAR capturada en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA-LiDAR) en España. Para ello se compara un vuelo específico diseñado para inventario forestal con la información de la misma zona capturada dentro del PNOA-LiDAR. El caso de estudio muestra cómo el ángulo de escaneo, la pendiente y orientación del terreno afectan de forma estadísticamente significativa, aunque con pequeñas diferencias, a la estimación de biomasa y variables de estructura forestal derivadas del LiDAR. La cobertura de copas resultó más afectada por estos factores que los percentiles de alturas. Considerando toda la zona de estudio, la estimación de la biomasa con ambas bases de datos no presentó diferencias estadísticamente significativas. Las simulaciones realizadas muestran que las diferencias medias en la estimación de biomasa entre un vuelo específico y el vuelo nacional podrán superar el 4% en áreas abruptas, con ángulos de escaneo altos y cuando la pendiente de la ladera no esté orientada hacia la línea de escaneo. En el capítulo 3 se desarrolla un estudio en masas mixtas y puras de pino silvestre y haya, con un enfoque multi-fuente empleando toda la información disponible (vuelos LiDAR nacionales de baja densidad de puntos, imágenes satelitales Landsat y parcelas permanentes del inventario forestal nacional español). Se concluye que este enfoque multi-fuente es adecuado para realizar inventarios forestales continuos de alta resolución en grandes superficies. Los errores obtenidos en la fase de ajuste y de validación de los modelos de área basimétrica y volumen son similares a los registrados por otros autores (usando un vuelo específico y parcelas de campo específicas). Se observan errores mayores en la variable número de pies que los encontrados en la literatura, que pueden ser explicados por la influencia de la metodología de parcelas de radio variable en esta variable. En los capítulos 4 y 5 se evalúan los métodos de masa para estimar biomasa y densidad de carbono en bosques tropicales. Para ello se trabaja con datos del Parque Nacional Volcán Poás (Costa Rica) en dos situaciones diferentes: i) se dispone de una cobertura completa LiDAR del área de estudio (capitulo 4) y ii) la cobertura LiDAR completa no es técnica o económicamente posible y se combina una cobertura incompleta de LiDAR con imágenes Landsat e información auxiliar para la estimación de biomasa y carbono (capitulo 5). En el capítulo 4 se valida un modelo LiDAR general de estimación de biomasa aérea en bosques tropicales y se compara con los resultados obtenidos con un modelo ajustado de forma específica para el área de estudio. Ambos modelos están basados en la variable altura media de copas (TCH por sus siglas en inglés) derivada del modelo digital LiDAR de altura de la vegetación. Los resultados en el área de estudio muestran que el modelo general es una alternativa fiable al ajuste de modelos específicos y que la biomasa aérea puede ser estimada en una nueva zona midiendo en campo únicamente la variable área basimétrica (BA). Para mejorar la aplicación de esta metodología es necesario definir en futuros trabajos procedimientos adecuados de medición de la variable área basimétrica en campo (localización, tamaño y forma de las parcelas de campo). La relación entre la altura media de copas del LiDAR y el área basimétrica (Coeficiente de Stock) obtenida en el área de estudio varía localmente. Por tanto es necesario contar con más información de campo para caracterizar la variabilidad del Coeficiente de Stock entre zonas de vida y si estrategias como la estratificación pueden reducir los errores en la estimación de biomasa y carbono en bosques tropicales. En el capítulo 5 se concluye que la combinación de una muestra sistemática de información LiDAR con una cobertura completa de imagen satelital de moderada resolución (e información auxiliar) es una alternativa efectiva para la realización de inventarios continuos en bosques tropicales. Esta metodología permite estimar altura de la vegetación, biomasa y carbono en grandes zonas donde la captura de una cobertura completa de LiDAR y la realización de un gran volumen de trabajo de campo es económica o/y técnicamente inviable. Las alternativas examinadas para la predicción de biomasa a partir de imágenes Landsat muestran una ligera disminución del coeficiente de determinación y un pequeño aumento del RMSE cuando la cobertura de LiDAR es reducida de forma considerable. Los resultados indican que la altura de la vegetación, la biomasa y la densidad de carbono pueden ser estimadas en bosques tropicales de forma adecuada usando coberturas de LIDAR bajas (entre el 5% y el 20% del área de estudio). ABSTRACT The availability of accurate and updated forest data is essential for improving sustainable forest management, promoting forest conservation policies and reducing carbon emissions from deforestation and forest degradation (REDD). In this sense, LiDAR technology proves to be a clear-cut tool for characterizing forest structure in large areas and assessing main forest-stand variables. Forest variables such as biomass, stem volume, basal area, mean diameter, mean height, dominant height, and stem number can be thus predicted with better or comparable quality than with costly traditional field inventories. In this thesis, it is analysed the potential of LiDAR technology for the estimation of plot-level forest variables under a range of conditions (conifer & broadleaf temperate forests and tropical forests) and different LiDAR capture characteristics (nationwide LiDAR information vs. specific forest LiDAR data). This study evaluates the application of LiDAR-based plot-level methods in large areas. These methods are based on statistical relationships between predictor variables (derived from airborne data) and field-measured variables to generate wall to wall forest inventories. The fast development of this technology in recent years has led to an increasing availability of national LiDAR datasets, usually developed for multiple purposes throughout an expanding number of countries and regions. The evaluation of the validity of nationwide LiDAR databases (not designed specifically for forest purposes) is needed and presents a great opportunity for substantially reducing the costs of forest inventories. In chapter 2, the suitability of Spanish nationwide LiDAR flight (PNOA) to estimate forest variables is analyzed and compared to a specifically forest designed LiDAR flight. This study case shows that scan angle, terrain slope and aspect significantly affect the assessment of most of the LiDAR-derived forest variables and biomass estimation. Especially, the estimation of canopy cover is more affected than height percentiles. Considering the entire study area, biomass estimations from both databases do not show significant differences. Simulations show that differences in biomass could be larger (more than 4%) only in particular situations, such as steep areas when the slopes are non-oriented towards the scan lines and the scan angles are larger than 15º. In chapter 3, a multi-source approach is developed, integrating available databases such as nationwide LiDAR flights, Landsat imagery and permanent field plots from SNFI, with good resultos in the generation of wall to wall forest inventories. Volume and basal area errors are similar to those obtained by other authors (using specific LiDAR flights and field plots) for the same species. Errors in the estimation of stem number are larger than literature values as a consequence of the great influence that variable-radius plots, as used in SNFI, have on this variable. In chapters 4 and 5 wall to wall plot-level methodologies to estimate aboveground biomass and carbon density in tropical forest are evaluated. The study area is located in the Poas Volcano National Park (Costa Rica) and two different situations are analyzed: i) available complete LiDAR coverage (chapter 4) and ii) a complete LiDAR coverage is not available and wall to wall estimation is carried out combining LiDAR, Landsat and ancillary data (chapter 5). In chapter 4, a general aboveground biomass plot-level LiDAR model for tropical forest (Asner & Mascaro, 2014) is validated and a specific model for the study area is fitted. Both LiDAR plot-level models are based on the top-of-canopy height (TCH) variable that is derived from the LiDAR digital canopy model. Results show that the pantropical plot-level LiDAR methodology is a reliable alternative to the development of specific models for tropical forests and thus, aboveground biomass in a new study area could be estimated by only measuring basal area (BA). Applying this methodology, the definition of precise BA field measurement procedures (e.g. location, size and shape of the field plots) is decisive to achieve reliable results in future studies. The relation between BA and TCH (Stocking Coefficient) obtained in our study area in Costa Rica varied locally. Therefore, more field work is needed for assessing Stocking Coefficient variations between different life zones and the influence of the stratification of the study areas in tropical forests on the reduction of uncertainty. In chapter 5, the combination of systematic LiDAR information sampling and full coverage Landsat imagery (and ancillary data) prove to be an effective alternative for forest inventories in tropical areas. This methodology allows estimating wall to wall vegetation height, biomass and carbon density in large areas where full LiDAR coverage and traditional field work are technically and/or economically unfeasible. Carbon density prediction using Landsat imaginery shows a slight decrease in the determination coefficient and an increase in RMSE when harshly decreasing LiDAR coverage area. Results indicate that feasible estimates of vegetation height, biomass and carbon density can be accomplished using low LiDAR coverage areas (between 5% and 20% of the total area) in tropical locations.

Red SFN de distribución local de TDT

Este proyecto consiste en el diseño completo, de una red de distribución de TDT, a nivel local, mediante difusión SFN, Single Frequency Network. Este tipo de difusión, tiene la capacidad de difundir los servicios de televisión en una única frecuencia, cubriendo un área, ya sea local o estatal, aprovechando en las zonas de interferencia los rebotes de la señal y así evitar el uso de una frecuencia distinta por cada centro de emisión, todos los que componen un área de cobertura. Para el diseño de la red, se ha optado por diseñar una red IP, mediante distribución multicast, ya que esta es la tecnología imperante a día de hoy, quedando obsoleta ya, la distribución analógica, ya que consume muchos más recursos y por consiguiente mucho más costosa de implementar. El documento se divide en cuatro capítulos. En el primer capítulo se realizará una introducción teórica a las redes de distribución SFN, centrándose en el cálculo de los retardos, punto fundamental en el diseño de este tipo de redes. Se continuará unas nociones básicas de redes IP y el protocolo multicast, en el que se basa el trasporte de la señal. El capítulo dos, se centra en el diseño de la red, desde los centros de producción, donde se generan los programas a emitir, hasta los diferentes centros de difusión que cubrirán todo el área de cobertura requerida, pasando por el centro de multiplexación, donde se sitúa la cabecera que compondrá el múltiplex a difundir. Se describirán los equipos y el diseño de los distintos centros que conforman la red, centros de producción, multiplexación y difusión. A demás se realizará el cálculo de retardo de la señal, necesario en este tipo de redes. Se continuará con el capítulo tres, donde se describirá la configuración de la red, tanto a nivel de equipamiento, como el diseño y asignación IP de toda la red, separando la red de servicio de la red de gestión para una mayor confiabilidad y eficiencia de la red. Se finalizará con la descripción de la gestión de la red, que mediante diferentes herramientas, proporcionan un monitoreado en tiempo real de todo el sistema, dando la posibilidad de adelantarsey previniendo posibles incidencias que, puedan causar alguna deficiencia en el servicio que se entrega al usuario final. ABSTRACT. This project involves the complete design of a network´s TDT distribution, locally, by broadcast SFN (Single Frequency Network). This type of broadcast, has the ability to broadcast television´s services on a single frequency, covering an area, whether local or state, drawing on the interference zones, signal´s rebounds, to avoid the use of a different frequency each broadcast center, all those who make a coverage area. For the design of the network, has been chosen to design an IP network using multicast distribution, since this is the prevailing technology today, as the analogue distribution, consumes more resources and therefore, much more costly to implement. The document is divided into four chapters. In the first chapter you can find a theoretical introduction to SFN distribution networks, focusing on the calculation of delays, fundamental point, in the design of these networks. A basic understanding of IP networks and the multicast protocol, in which the transport of the signal is based, will continue. Chapter two focuses on the design of the network, from production centers, where the programs are created to broadcast, to different distribution centers covering the entire area of coverage required, through the multiplexing center, where the head is located, which comprise the multiplex. Also, the equipment and design of the various centers in the network, production centers, multiplexing center and distribution centers, are described. Furthermore, the calculation of signal delay, necessary in such networks, is performed. We will continue with the chapter three, where the network configuration will be described, both in termsofequipment, such as design IP mapping of the entire network, separating the service network and management network, for increased the reliability and efficiency of the network. It will be completed with the description of the management of the network, using different tools provide real-time monitoring of the entire system, making it possible, to anticipate and prevent any incidents that might cause a deficiency in the service being delivered to final user.

Techniques for Area Discretization and Coverage in Aerial Photography for Precision Agriculture employing mini quad-rotors

Remote sensed imagery acquired with mini aerial vehicles, in conjunction with GIS technology enable a meticulous analysis from surveyed agricultural sites. This paper sums up the ongoing work in area discretization and coverage with mini quad-­?rotors applied to Precision Agriculture practices under the project RHEA.

Aerial Remote Sensing in Agriculture: A Practical Approach to Area Coverage and Path Planning for Fleets of Mini Aerial Robots

In this paper, a system that allows applying precision agriculture techniques is described. The application is based on the deployment of a team of unmanned aerial vehicles that are able to take georeferenced pictures in order to create a full map by applying mosaicking procedures for postprocessing. The main contribution of this work is practical experimentation with an integrated tool. Contributions in different fields are also reported. Among them is a new one-phase automatic task partitioning manager, which is based on negotiation among the aerial vehicles, considering their state and capabilities. Once the individual tasks are assigned, an optimal path planning algorithm is in charge of determining the best path for each vehicle to follow. Also, a robust flight control based on the use of a control law that improves the maneuverability of the quadrotors has been designed. A set of field tests was performed in order to analyze all the capabilities of the system, from task negotiations to final performance. These experiments also allowed testing control robustness under different weather conditions.

Correction of systematic errors in Wide Area Multilateration

This work presents a method to estimate and correct slow time-dependent position errors due to non perfect ground station synchronization and tropospheric propagation. It uses opportunity traffic emissions, i.e. signals transmitted from the aircrafts within the coverage zone. This method is used to overcome the difficulty of installing reference beacons simultaneously visible by all the base stations in a given Wide Area Multilateration (WAM) system.

An image segmentation based on a genetic algorithm for determining soil coverage by crop residues

Determination of the soil coverage by crop residues after ploughing is a fundamental element of Conservation Agriculture. This paper presents the application of genetic algorithms employed during the fine tuning of the segmentation process of a digital image with the aim of automatically quantifying the residue coverage. In other words, the objective is to achieve a segmentation that would permit the discrimination of the texture of the residue so that the output of the segmentation process is a binary image in which residue zones are isolated from the rest. The RGB images used come from a sample of images in which sections of terrain were photographed with a conventional camera positioned in zenith orientation atop a tripod. The images were taken outdoors under uncontrolled lighting conditions. Up to 92% similarity was achieved between the images obtained by the segmentation process proposed in this paper and the templates made by an elaborate manual tracing process. In addition to the proposed segmentation procedure and the fine tuning procedure that was developed, a global quantification of the soil coverage by residues for the sampled area was achieved that differed by only 0.85% from the quantification obtained using template images. Moreover, the proposed method does not depend on the type of residue present in the image. The study was conducted at the experimental farm “El Encín” in Alcalá de Henares (Madrid, Spain).

Aerial Coverage Path Planning applied to Mapping

In the last decade we have seen how small and light weight aerial platforms - aka, Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAV) - shipped with heterogeneous sensors have become a 'most wanted' Remote Sensing (RS) tool. Most of the off-the-shelf aerial systems found in the market provide way-point navigation. However, they do not rely on a tool that compute the aerial trajectories considering all the aspects that allow optimizing the aerial missions. One of the most demanded RS applications of MUAV is image surveying. The images acquired are typically used to build a high-resolution image, i.e., a mosaic of the workspace surface. Although, it may be applied to any other application where a sensor-based map must be computed. This thesis provides a study of this application and a set of solutions and methods to address this kind of aerial mission by using a fleet of MUAVs. In particular, a set of algorithms are proposed for map-based sampling, and aerial coverage path planning (ACPP). Regarding to map-based sampling, the approaches proposed consider workspaces with different shapes and surface characteristics. The workspace is sampled considering the sensor characteristics and a set of mission requirements. The algorithm applies different computational geometry approaches, providing a unique way to deal with workspaces with different shape and surface characteristics in order to be surveyed by one or more MUAVs. This feature introduces a previous optimization step before path planning. After that, the ACPP problem is theorized and a set of ACPP algorithms to compute the MUAVs trajectories are proposed. The problem addressed herein is the problem to coverage a wide area by using MUAVs with limited autonomy. Therefore, the mission must be accomplished in the shortest amount of time. The aerial survey is usually subject to a set of workspace restrictions, such as the take-off and landing positions as well as a safety distance between elements of the fleet. Moreover, it has to avoid forbidden zones to y. Three different algorithms have been studied to address this problem. The approaches studied are based on graph searching, heuristic and meta-heuristic approaches, e.g., mimic, evolutionary. Finally, an extended survey of field experiments applying the previous methods, as well as the materials and methods adopted in outdoor missions is presented. The reported outcomes demonstrate that the findings attained from this thesis improve ACPP mission for mapping purpose in an efficient and safe manner.

Aerial Coverage Path Planning applied to Mapping

In the last decade we have seen how small and light weight aerial platforms - aka, Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAV) - shipped with heterogeneous sensors have become a 'most wanted' Remote Sensing (RS) tool. Most of the off-the-shelf aerial systems found in the market provide way-point navigation. However, they do not rely on a tool that compute the aerial trajectories considering all the aspects that allow optimizing the aerial missions. One of the most demanded RS applications of MUAV is image surveying. The images acquired are typically used to build a high-resolution image, i.e., a mosaic of the workspace surface. Although, it may be applied to any other application where a sensor-based map must be computed. This thesis provides a study of this application and a set of solutions and methods to address this kind of aerial mission by using a fleet of MUAVs. In particular, a set of algorithms are proposed for map-based sampling, and aerial coverage path planning (ACPP). Regarding to map-based sampling, the approaches proposed consider workspaces with different shapes and surface characteristics. The workspace is sampled considering the sensor characteristics and a set of mission requirements. The algorithm applies different computational geometry approaches, providing a unique way to deal with workspaces with different shape and surface characteristics in order to be surveyed by one or more MUAVs. This feature introduces a previous optimization step before path planning. After that, the ACPP problem is theorized and a set of ACPP algorithms to compute the MUAVs trajectories are proposed. The problem addressed herein is the problem to coverage a wide area by using MUAVs with limited autonomy. Therefore, the mission must be accomplished in the shortest amount of time. The aerial survey is usually subject to a set of workspace restrictions, such as the take-off and landing positions as well as a safety distance between elements of the fleet. Moreover, it has to avoid forbidden zones to y. Three different algorithms have been studied to address this problem. The approaches studied are based on graph searching, heuristic and meta-heuristic approaches, e.g., mimic, evolutionary. Finally, an extended survey of field experiments applying the previous methods, as well as the materials and methods adopted in outdoor missions is presented. The reported outcomes demonstrate that the findings attained from this thesis improve ACPP mission for mapping purpose in an efficient and safe manner.