Contribución a la caracterización espacial de canales con sistemas MIMO-OFDM en la banda de 2,45 Ghz

La tecnología de múltiples antenas ha evolucionado para dar soporte a los actuales y futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas en su afán por proporcionar la calidad de señal y las altas tasas de transmisión que demandan los nuevos servicios de voz, datos y multimedia. Sin embargo, es fundamental comprender las características espaciales del canal radio, ya que son las características del propio canal lo que limita en gran medida las prestaciones de los sistemas de comunicación actuales. Por ello surge la necesidad de estudiar la estructura espacial del canal de propagación para poder diseñar, evaluar e implementar de forma más eficiente tecnologías multiantena en los actuales y futuros sistemas de comunicación inalámbrica. Las tecnologías multiantena denominadas antenas inteligentes y MIMO han generado un gran interés en el área de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo los sistemas de telefonía celular o más recientemente en las redes WLAN (Wireless Local Area Network), principalmente por la mejora que proporcionan en la calidad de las señales y en la tasa de transmisión de datos, respectivamente. Las ventajas de estas tecnologías se fundamentan en el uso de la dimensión espacial para obtener ganancia por diversidad espacial, como ya sucediera con las tecnologías FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access) y CDMA (Code Division Multiplexing Access) para obtener diversidad en las dimensiones de frecuencia, tiempo y código, respectivamente. Esta Tesis se centra en estudiar las características espaciales del canal con sistemas de múltiples antenas mediante la estimación de los perfiles de ángulos de llegada (DoA, Direction-of- Arrival) considerando esquemas de diversidad en espacio, polarización y frecuencia. Como primer paso se realiza una revisión de los sistemas con antenas inteligentes y los sistemas MIMO, describiendo con detalle la base matemática que sustenta las prestaciones ofrecidas por estos sistemas. Posteriormente se aportan distintos estudios sobre la estimación de los perfiles de DoA de canales radio con sistemas multiantena evaluando distintos aspectos de antenas, algoritmos de estimación, esquemas de polarización, campo lejano y campo cercano de las fuentes. Así mismo, se presenta un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D en la banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,45 Ghz, el cual está preparado para caracterizar experimentalmente el rendimiento de los sistemas MIMO, y para caracterizar espacialmente canales de propagación, considerando los esquemas de diversidad espacial, por polarización y frecuencia. Los estudios aportados se describen a continuación. Los sistemas de antenas inteligentes dependen en gran medida de la posición de los usuarios. Estos sistemas están equipados con arrays de antenas, los cuales aportan la diversidad espacial necesaria para obtener una representación espacial fidedigna del canal radio a través de los perfiles de DoA (DoA, Direction-of-Arrival) y por tanto, la posición de las fuentes de señal. Sin embargo, los errores de fabricación de arrays así como ciertos parámetros de señal conlleva un efecto negativo en las prestaciones de estos sistemas. Por ello se plantea un modelo de señal parametrizado que permite estudiar la influencia que tienen estos factores sobre los errores de estimación de DoA, tanto en acimut como en elevación, utilizando los algoritmos de estimación de DOA más conocidos en la literatura. A partir de las curvas de error, se pueden obtener parámetros de diseño para sistemas de localización basados en arrays. En un segundo estudio se evalúan esquemas de diversidad por polarización con los sistemas multiantena para mejorar la estimación de los perfiles de DoA en canales que presentan pérdidas por despolarización. Para ello se desarrolla un modelo de señal en array con sensibilidad de polarización que toma en cuenta el campo electromagnético de ondas planas. Se realizan simulaciones MC del modelo para estudiar el efecto de la orientación de la polarización como el número de polarizaciones usadas en el transmisor como en el receptor sobre la precisión en la estimación de los perfiles de DoA observados en el receptor. Además, se presentan los perfiles DoA obtenidos en escenarios quasiestáticos de interior con un prototipo de medida MIMO 4x4 de banda estrecha en la banda de 2,45 GHz, los cuales muestran gran fidelidad con el escenario real. Para la obtención de los perfiles DoA se propone un método basado en arrays virtuales, validado con los datos de simulación y los datos experimentales. Con relación a la localización 3D de fuentes en campo cercano (zona de Fresnel), se presenta un tercer estudio para obtener con gran exactitud la estructura espacial del canal de propagación en entornos de interior controlados (en cámara anecóica) utilizando arrays virtuales. El estudio analiza la influencia del tamaño del array y el diagrama de radiación en la estimación de los parámetros de localización proponiendo, para ello, un modelo de señal basado en un vector de enfoque de onda esférico (SWSV). Al aumentar el número de antenas del array se consigue reducir el error RMS de estimación y mejorar sustancialmente la representación espacial del canal. La estimación de los parámetros de localización se lleva a cabo con un nuevo método de búsqueda multinivel adaptativo, propuesto con el fin de reducir drásticamente el tiempo de procesado que demandan otros algoritmos multivariable basados en subespacios, como el MUSIC, a costa de incrementar los requisitos de memoria. Las simulaciones del modelo arrojan resultados que son validados con resultados experimentales y comparados con el límite de Cramer Rao en términos del error cuadrático medio. La compensación del diagrama de radiación acerca sustancialmente la exactitud de estimación de la distancia al límite de Cramer Rao. Finalmente, es igual de importante la evaluación teórica como experimental de las prestaciones de los sistemas MIMO-OFDM. Por ello, se presenta el diseño e implementación de un prototipo de medida MIMO-OFDM-SPAA3D autocalibrado con sistema de posicionamiento de antena automático en la banda de 2,45 Ghz con capacidad para evaluar la capacidad de los sistemas MIMO. Además, tiene la capacidad de caracterizar espacialmente canales MIMO, incorporando para ello una etapa de autocalibración para medir la respuesta en frecuencia de los transmisores y receptores de RF, y así poder caracterizar la respuesta de fase del canal con mayor precisión. Este sistema incorpora un posicionador de antena automático 3D (SPAA3D) basado en un scanner con 3 brazos mecánicos sobre los que se desplaza un posicionador de antena de forma independiente, controlado desde un PC. Este posicionador permite obtener una gran cantidad de mediciones del canal en regiones locales, lo cual favorece la caracterización estadística de los parámetros del sistema MIMO. Con este prototipo se realizan varias campañas de medida para evaluar el canal MIMO en términos de capacidad comparando 2 esquemas de polarización y tomando en cuenta la diversidad en frecuencia aportada por la modulación OFDM en distintos escenarios. ABSTRACT Multiple-antennas technologies have been evolved to be the support of the actual and future wireless communication systems in its way to provide the high quality and high data rates required by new data, voice and data services. However, it is important to understand the behavior of the spatial characteristics of the radio channel, since the channel by itself limits the performance of the actual wireless communications systems. This drawback raises the need to understand the spatial structure of the propagation channel in order to design, assess, and develop more efficient multiantenna technologies for the actual and future wireless communications systems. Multiantenna technologies such as ‘Smart Antennas’ and MIMO systems have generated great interest in the field of wireless communications, i.e. cellular communications systems and more recently WLAN (Wireless Local Area Networks), mainly because the higher quality and the high data rate they are able to provide. Their technological benefits are based on the exploitation of the spatial diversity provided by the use of multiple antennas as happened in the past with some multiaccess technologies such as FDMA (Frequency Division Multiplexing Access), TDMA (Time Division Multiplexing Access), and CDMA (Code Division Multiplexing Access), which give diversity in the domains of frequency, time and code, respectively. This Thesis is mainly focus to study the spatial channel characteristics using schemes of multiple antennas considering several diversity schemes such as space, polarization, and frequency. The spatial characteristics will be study in terms of the direction-of-arrival profiles viewed at the receiver side of the radio link. The first step is to do a review of the smart antennas and MIMO systems technologies highlighting their advantages and drawbacks from a mathematical point of view. In the second step, a set of studies concerning the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles are addressed. The performance of several DoA estimation methods is assessed considering several aspects regarding antenna array structure, polarization diversity, and far-field and near-field conditions. Most of the results of these studies come from simulations of data models and measurements with real multiantena prototypes. In the same way, having understand the importance of validate the theoretical data models with experimental results, a 2,4 GHz MIMO-OFDM-SPAA2D prototype is presented. This prototype is intended for evaluating MIMO-OFDM capacity in indoor and outdoor scenarios, characterize the spatial structure of radio channels, assess several diversity schemes such as polarization, space, and frequency diversity, among others aspects. The studies reported are briefly described below. As is stated in Chapter two, the determination of user position is a fundamental task to be resolved for the smart antenna systems. As these systems are equipped with antenna arrays, they can provide the enough spatial diversity to accurately draw the spatial characterization of the radio channel through the DoA profiles, and therefore the source location. However, certain real implementation factors related to antenna errors, signals, and receivers will certainly reduce the performance of such direction finding systems. In that sense, a parameterized narrowband signal model is proposed to evaluate the influence of these factors in the location parameter estimation through extensive MC simulations. The results obtained from several DoA algorithms may be useful to extract some parameter design for directing finding systems based on arrays. The second study goes through the importance that polarization schemes can have for estimating far-field DoA profiles in radio channels, particularly for scenarios that may introduce polarization losses. For this purpose, a narrowband signal model with polarization sensibility is developed to conduct an analysis of several polarization schemes at transmitter (TX) and receiver (RX) through extensive MC simulations. In addition, spatial characterization of quasistatic indoor scenarios is also carried out using a 2.45 GHz MIMO prototype equipped with single and dual-polarized antennas. A good agreement between the measured DoA profiles with the propagation scenario is achieved. The theoretical and experimental evaluation of polarization schemes is performed using virtual arrays. In that case, a DoA estimation method is proposed based on adding an phase reference to properly track the DoA, which shows good results. In the third study, the special case of near-field source localization with virtual arrays is addressed. Most of DoA estimation algorithms are focused in far-field source localization where the radiated wavefronts are assume to be planar waves at the receive array. However, when source are located close to the array, the assumption of plane waves is no longer valid as the wavefronts exhibit a spherical behavior along the array. Thus, a faster and effective method of azimuth, elevation angles-of-arrival, and range estimation for near-field sources is proposed. The efficacy of the proposed method is evaluated with simulation and validated with measurements collected from a measurement campaign carried out in a controlled propagation environment, i.e. anechoic chamber. Moreover, the performance of the method is assessed in terms of the RMSE for several array sizes, several source positions, and taking into account the effect of radiation pattern. In general, better results are obtained with larger array and larger source distances. The effect of the antennas is included in the data model leading to more accurate results, particularly for range rather than for angle estimation. Moreover, a new multivariable searching method based on the MUSIC algorithm, called MUSA (multilevel MUSIC-based algorithm), is presented. This method is proposed to estimate the 3D location parameters in a faster way than other multivariable algorithms, such as MUSIC algorithm, at the cost of increasing the memory size. Finally, in the last chapter, a MIMO-OFDM-SPAA3D prototype is presented to experimentally evaluate different MIMO schemes regarding antennas, polarization, and frequency in different indoor and outdoor scenarios. The prototype has been developed on a Software-Defined Radio (SDR) platform. It allows taking measurements where future wireless systems will be developed. The novelty of this prototype is concerning the following 2 subsystems. The first one is the tridimensional (3D) antenna positioning system (SPAA3D) based on three linear scanners which is developed for making automatic testing possible reducing errors of the antenna array positioning. A set of software has been developed for research works such as MIMO channel characterization, MIMO capacity, OFDM synchronization, and so on. The second subsystem is the RF autocalibration module at the TX and RX. This subsystem allows to properly tracking the spatial structure of indoor and outdoor channels in terms of DoA profiles. Some results are draw regarding performance of MIMO-OFDM systems with different polarization schemes and different propagation environments.

Enhancement of a body area network to support smart health monitoring at the digital home

The deployment of home-based smart health services requires effective and reliable systems for personal and environmental data management. ooperation between Home Area Networks (HAN) and Body Area Networks (BAN) can provide smart systems with ad hoc reasoning information to support health care. This paper details the implementation of an architecture that integrates BAN, HAN and intelligent agents to manage physiological and environmental data to proactively detect risk situations at the digital home. The system monitors dynamic situations and timely adjusts its behavior to detect user risks concerning to health. Thus, this work provides a reasoning framework to infer appropriate solutions in cases of health risk episodes. Proposed smart health monitoring approach integrates complex reasoning according to home environment, user profile and physiological parameters defined by a scalable ontology. As a result, health care demands can be detected to activate adequate internal mechanisms and report public health services for requested actions.

Proposal for a Wavelength Multiplexed Quantum Metropolitan Area Network

Quantum Key Distribution (QKD) is maturing quickly. However, the current approaches to its network use require conditions that make it an expensive technology. All the QKD networks deployed to date are designed as a collection of dedicated point-to-point links that use the trusted repeater paradigm. Instead, we propose a novel network model in which QKD systems use simultaneously quantum and conventional signals that are wavelength multiplexed over a common communication infrastructure. Signals are transmitted end-to-end within a metropolitan area using optical components. The model resembles a commercial telecom network and takes advantage of existing components, thus allowing for a cost-effective and reliable deployment.

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.

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.

QKD in standard optical telecommunications networks

To perform Quantum Key Distribution, the mastering of the extremely weak signals carried by the quantum channel is required. Transporting these signals without disturbance is customarily done by isolating the quantum channel from any noise sources using a dedicated physical channel. However, to really profit from this technology, a full integration with conventional network technologies would be highly desirable. Trying to use single photon signals with others that carry an average power many orders of magnitude bigger while sharing as much infrastructure with a conventional network as possible brings obvious problems. The purpose of the present paper is to report our efforts in researching the limits of the integration of QKD in modern optical networks scenarios. We have built a full metropolitan area network testbed comprising a backbone and an access network. The emphasis is put in using as much as possible the same industrial grade technology that is actually used in already installed networks, in order to understand the throughput, limits and cost of deploying QKD in a real network.

Empleo de materiales reciclados para centros educativos en Chile

Los objetivos de este proyecto son dobles. El primero a conseguir es el acondicionamiento acústico de un centro educativo para alcanzar un mayor rendimiento docente; lo que se pretende lograr mejorando la inteligibilidad de la palabra y reduciendo el ruido en los diferentes recintos. El segundo objetivo, es la reducción de los costos económicos y medioambientales del proyecto empleando en el acondicionamiento acústico materiales procedentes del reciclado o existentes en el entorno local, reduciendo lo mayor posible la importación de estos materiales. Desde la investigación de las exigencias acústicas de un centro educativo, se determinarán los parámetros adecuados para su diseño óptimo. En general los mayores problemas acústicos existentes en estos establecimientos, son debidos a la transferencia de ruido entre los diferentes recintos y su excesiva reverberación, lo que provoca dificultades en la transmisión de la palabra y por ende también en las actividades docentes y los objetivos educativos. Asimismo, los parámetros y exigencias acústicas planteadas y desarrolladas, serán estudiados a partir de un contexto real y específico. El lugar elegido para el caso de estudio, será la ciudad de Santiago de Chile. Es importante, aclarar que en este país no existe una normativa aplicable a este tipo de establecimientos, por tanto se planteará el aislamiento acústico y posterior acondicionamiento a partir de normas y requisitos internacionales. Además, las soluciones acústicas planteadas serán de materiales reciclados existentes en el mercado nacional. Esta decisión tiene como finalidad reducir la afección al medio ambiente fomentando el desarrollo ecológico y sostenible como respuesta al crecimiento económico y la conservación de recursos en un país que se encuentra en vías de desarrollo. Por último, se plantea el acondicionamiento acústico de los diferentes recintos del colegio en proyecto, mediante simulación acústica en el programa EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers), lo que nos permite conocer el comportamiento de los recintos antes y después del acondicionamiento acústico. SUMMARY The objective of this Project is twofold. On the one hand, the acoustic conditioning of a school is developed in order to achieve a better teaching performance. For this purpose, the speech intelligibility is enhanced and the noise in the different rooms is reduced. On the other hand, the economic costs and environmental impact are reduced by using recycled materials or materials found in the local area, reducing as much as possible the use of imported materials. The appropriate acoustic parameters will be determined from the evaluation of the acoustic demands of the school. The main problems in these environments are the noise transmission between rooms as well as a high reverberation time. These will cause problems with the speech transmission, which is of great importance for educational purposes. Furthermore, the acoustic parameters and requirements are taken from a real and specific context. The place chosen for the research is Santiago, Chile. It is remarkable that in this country there is no national legislation that can be applied to such places, therefore International Standards are considered to evaluate the acoustic insulation and conditioning. The acoustic solutions considered in this project come from recycled materials existing on the domestic market. The decision aims to reduce the environmental impact, promoting environmentally sustainable development as a response to the economic growth and the maintenance of resources in a developing country. Finally, a simulation at some different areas of the school is carried out, comparing the behaviour before and after the proposed acoustic solutions. The software used for the simulations is EASE (Enhanced Acoustic Simulator for Engineers).

Sistema de telemetría para un vehículo de fórmula S.A.E.

En este proyecto, se ha desarrollado una aplicación electrónica para un coche de competición, en concreto para la fórmula SAE (Society of Automotive Engineers), una competición universitaria en la que cada equipo, formado por estudiantes, debe diseñar, construir y probar un prototipo basándose en una serie de reglas. El objetivo final de la competición es proporcionar a los estudiantes el conocimiento práctico necesario para su futura labor profesional, del cual se pensaba que los estudiantes adolecían al acabar sus estudios universitarios cuando se creó esta competición. La aplicación desarrollada en este proyecto consiste en un sistema de telemetría, utilizado para transmitir los datos proporcionados por los sensores del vehículo a través de un sistema de radiofrecuencia, de manera que se pueda estudiar el comportamiento del coche durante los ensayos a la vez que el coche está rodando y así no depender de un sistema de adquisición de datos del que había que descargarse la información una vez finalizada la sesión de ensayo, como había que hacer hasta el momento. Para la implementación del proyecto, se ha utilizado un kit de desarrollo (Xbee Pro 868) que incluye dos módulos de radio, dos placas de desarrollo, dos cables USB y una antena, el cual ha permitido desarrollar la parte de radio del proyecto. Para transmitir los datos proporcionados por la centralita del vehículo, la cual recoge la información de todos los sensores presentes en el vehículo, se han desarrollado dos placas de circuito impreso. La primera de ellas tiene como elemento principal un microprocesador PIC de la marca Microchip (PIC24HJ64GP502), que recoge los datos proporcionados por la centralita del vehículo a través de su bus CAN de comunicaciones. La segunda placa de circuito impreso tiene como elemento fundamental el transmisor de radio. Dicho transmisor está conectado al microprocesador de la otra placa a través de línea serie. Como receptor de radio se ha utilizado una de las placas de prueba que integraba el kit de desarrollo Xbee Pro 868, la cual recoge los datos que han sido enviados vía radio y los manda a su vez a través de USB a un ordenador donde son monitorizados. Hasta aquí la parte hardware del sistema. En cuanto a la parte software, ha habido que desarrollar una aplicación en lenguaje C, que ejecuta el microprocesador PIC, que se encarga de recoger los datos enviados por la centralita a través del bus CAN (Controller Area Network) y transmitirlos a través de línea serie al chip de radio. Por último, para la monitorización de los datos se han desarrollado dos aplicaciones en LabVIEW, una que recoge los datos a través de USB, los muestra en pantalla y los guarda en un fichero y otra que lee los datos del fichero y los representa gráficamente para permitir un estudio más detallado del comportamiento del vehículo. ABSTRACT In this project, an electronic application has been developed for a race car – Formula SAE car-. Formula SAE is a university championship in which each team, made up of students, should design, construct and test a prototype within certain rules. The final goal of the competition is to enhance the practical knowledge of the students, which was thougth to be poor at the time the competition was created. The application developed in this project consists of a telemetry system, employed to transmit the data provided by the car’s sensors through a radio frequency system, so that it could be possible to study the behaviour of the vehicle during tests and do not depend on a datalogger system as it occurred until now. To carry out the radio module of the project, a Xbee Pro 868 development kit has been used, which includes two radio modules, two development boards, two USB cables and an antenna. To transmit the data provided by the ECU (Engine Control Unit) of the vehicle, which receives information from all the sensors the vehicle has, two printed circuit boards have been built. One of them has a PIC microprocessor of Microchip (PIC24HJ64GP502) which receives the data coming from CAN bus of the ECU. Tha main element of the other printed circuit board is the radio transmitter. This chip receives the data from the microprocessor through its serial line. The development board of the Xbee Pro 868 has been used as receiver. When data arrives to the receiver, it transmits them to a computer through USB where the data are displayed. All this composes the hardware of the system. Regarding the software, a C coded application has been developed. This application is executed by the microprocessor and its function is to receive the data from the bus CAN (Controller Area Network) and send them to the radio transmitter through the microprocessor’s serial line. To show the data on the computer, two LabVIEW applications has been developed. The first one receives the data through the USB port, displays them on the screen and save them to a file and the second one reads the data from the file while represents them graphically to allow studying the behaviour of the car on track.

Diseño de los sistemas de comunicación en plantas de exploración y producción de hidrocarburos

Las plantas industriales de exploración y producción de petróleo y gas disponen de numerosos sistemas de comunicación que permiten el correcto funcionamiento de los procesos que tienen lugar en ella así como la seguridad de la propia planta. Para el presente Proyecto Fin de Carrera se ha llevado a cabo el diseño del sistema de megafonía PAGA (Public Address and General Alarm) y del circuito cerrado de televisión (CCTV) en la unidad de procesos Hydrocrcaker encargada del craqueo de hidrógeno. Partiendo de los requisitos definidos por las especificaciones corporativas de los grupos petroleros para ambos sistemas, PAGA y CCTV, se han expuesto los principios teóricos sobre los que se fundamenta cada uno de ellos y las pautas a seguir para el diseño y demostración del buen funcionamiento a partir de software específico. Se ha empleado las siguientes herramientas software: EASE para la simulación acústica, PSpice para la simulación eléctrica de las etapas de amplificación en la megafonía; y JVSG para el diseño de CCTV. La sonorización tanto de las unidades como del resto de instalaciones interiores ha de garantizar la inteligibilidad de los mensajes transmitidos. La realización de una simulación acústica permite conocer cómo va a ser el comportamiento de la megafonía sin necesidad de instalar el sistema, lo cual es muy útil para este tipo de proyectos cuya ingeniería se realiza previamente a la construcción de la planta. Además se comprueba el correcto diseño de las etapas de amplificación basadas en líneas de alta impedancia o de tensión constante (100 V). El circuito cerrado de televisión (CCTV) garantiza la transmisión de señales visuales de todos los accesos a las instalaciones y unidades de la planta así como la visión en tiempo real del correcto funcionamiento de los procesos químicos llevados a cabo en la refinería. El sistema dispone de puestos de control remoto para el manejo y gestión de las cámaras desplegadas; y de un sistema de almacenamiento de las grabaciones en discos duros (RAID-5) a través de una red SAN (Storage Area Network). Se especifican las diferentes fases de un proyecto de ingeniería en el sector de E&P de hidrocarburos entre las que se destaca: propuesta y adquisición, reunión de arranque (KOM, Kick Off Meeting), estudio in situ (Site Survey), plan de proyecto, diseño y documentación, procedimientos de pruebas, instalación, puesta en marcha y aceptaciones del sistema. Se opta por utilizar terminología inglesa dado al ámbito global del sector. En la última parte del proyecto se presenta un presupuesto aproximado de los materiales empleados en el diseño de PAGA y CCTV. ABSTRACT. Integrated communications for Oil and Gas allows reducing risks, improving productivity, reducing costs, and countering threats to safety and security. Both PAGA system (Public Address and General Alarm) and Closed Circuit Television have been designed for this project in order to ensure a reliable security of an oil refinery. Based on the requirements defined by corporate specifications for both systems (PAGA and CCTV), theoretical principles have been presented as well as the guidelines for the design and demonstration of a reliable design. The following software has been used: EASE for acoustic simulation; PSpice for simulation of the megaphony amplification loops; and JVSG tool for CCTV design. Acoustic for both the units and the other indoor facilities must ensure intelligibility of the transmitted messages. An acoustic simulation allows us to know how will be the performance of the PAGA system without installing loudspeakers, which is very useful for this type of project whose engineering is performed prior to the construction of the plant. Furthermore, it has been verified the correct design of the amplifier stages based on high impedance lines or constant voltage (100 V). Closed circuit television (CCTV) ensures the transmission of visual signals of all access to facilities as well as real-time view of the proper functioning of chemical processes carried out at the refinery. The system has remote control stations for the handling and management of deployed cameras. It is also included a storage system of the recordings on hard drives (RAID - 5) through a SAN (Storage Area Network). Phases of an engineering project in Oil and Gas are defined in the current project. It includes: proposal and acquisition, kick-off meeting (KOM), Site Survey, project plan, design and documentation, testing procedures (SAT and FAT), installation, commissioning and acceptance of the systems. Finally, it has been presented an estimate budget of the materials used in the design of PAGA and CCTV.

Multiplexing QKD systems in Conventional Optical Networks

Current QKD designs try to keep the quantum channel as error free as possible by using a separate physical medium for this purpose. In the most common case, this means the exclusive use of an optical fiber for the quantum channel, precluding its use for any other purpose. In current optical networks, the fiber is the single most expensive element and this poses a major problem from a cost and availability point of view. Sharing the fiber is thus mandatory for the widespread adoption of QKD. The objective of this communication is to propose a general scheme and present some preliminary measurements of a metropolitan area network (MAN) designed to multiplex of the order of 64 addressable quantum channels and the associated QKD classical service signals on a single dark fibre. It uses as much existing components and infraestructure as possible in an attempt to simultaneously lower most of the practical barriers for the adoption of QKD.

Collaborative Evolution Strategies on Evolvable Hardware Networked Elements

Dynamic and Partial Reconfiguration allows systems to change some parts of their hardware at run time. This feature favours the inclusion of evolutionary strategies to provide optimised solutions to the same problem so that they can be mixed and compared in a way that only the best ones prevail. At the same time, distributed intelligence permits systems to work in a collaborative way to jointly improve their global capabilities. This work presents a combination of both approaches where hardware evolution is performed both at local and network level in order to improve an image filter application in terms of performance, robustness and providing the capacity of avoiding local minimums, which is the main drawback of some evolutionary approaches.

Unificación de los protocolos de multipunto fiable optimizando la escalabilidad y el retardo

Las aplicaciones distribuidas que precisan de un servicio multipunto fiable son muy numerosas, y entre otras es posible citar las siguientes: bases de datos distribuidas, sistemas operativos distribuidos, sistemas de simulación interactiva distribuida y aplicaciones de distribución de software, publicaciones o noticias. Aunque en sus orígenes el dominio de aplicación de tales sistemas distribuidos estaba reducido a una única subred (por ejemplo una Red de Área Local) posteriormente ha surgido la necesidad de ampliar su aplicabilidad a interredes. La aproximación tradicional al problema del multipunto fiable en interredes se ha basado principalmente en los dos siguientes puntos: (1) proporcionar en un mismo protocolo muchas garantías de servicio (por ejemplo fiabilidad, atomicidad y ordenación) y a su vez algunas de éstas en distintos grados, sin tener en cuenta que muchas aplicaciones multipunto que precisan fiabilidad no necesitan otras garantías; y (2) extender al entorno multipunto las soluciones ya adoptadas en el entorno punto a punto sin considerar las características diferenciadoras; y de aquí, que se haya tratado de resolver el problema de la fiabilidad multipunto con protocolos extremo a extremo (protocolos de transporte) y utilizando esquemas de recuperación de errores, centralizados (las retransmisiones se hacen desde un único punto, normalmente la fuente) y globales (los paquetes solicitados se vuelven a enviar al grupo completo). En general, estos planteamientos han dado como resultado protocolos que son ineficientes en tiempo de ejecución, tienen problemas de escalabilidad, no hacen un uso óptimo de los recursos de red y no son adecuados para aplicaciones sensibles al retardo. En esta Tesis se investiga el problema de la fiabilidad multipunto en interredes operando en modo datagrama y se presenta una forma novedosa de enfocar el problema: es más óptimo resolver el problema de la fiabilidad multipunto a nivel de red y separar la fiabilidad de otras garantías de servicio, que pueden ser proporcionadas por un protocolo de nivel superior o por la propia aplicación. Siguiendo este nuevo enfoque se ha diseñado un protocolo multipunto fiable que opera a nivel de red (denominado RMNP). Las características más representativas del RMNP son las siguientes; (1) sigue una aproximación orientada al emisor, lo cual permite lograr un grado muy alto de fiabilidad; (2) plantea un esquema de recuperación de errores distribuido (las retransmisiones se hacen desde ciertos encaminadores intermedios que siempre estarán más cercanos a los miembros que la propia fuente) y de ámbito restringido (el alcance de las retransmisiones está restringido a un cierto número de miembros). Este esquema hace posible optimizar el retardo medio de distribución y disminuir la sobrecarga introducida por las retransmisiones; (3) incorpora en ciertos encaminadores funciones de agregación y filtrado de paquetes de control, que evitan problemas de implosión y reducen el tráfico que fluye hacia la fuente. Con el fin de evaluar el comportamiento del protocolo diseñado, se han realizado pruebas de simulación obteniéndose como principales conclusiones que, el RMNP escala correctamente con el tamaño del grupo, hace un uso óptimo de los recursos de red y es adecuado para aplicaciones sensibles al retardo.---ABSTRACT---There are many distributed applications that require a reliable multicast service, including: distributed databases, distributed operating systems, distributed interactive simulation systems and distribution applications of software, publications or news. Although the application domain of distributed systems of this type was originally confíned to a single subnetwork (for example, a Local Área Network), it later became necessary extend their applicability to internetworks. The traditional approach to the reliable multicast problem in internetworks is based mainly on the following two points: (1) provide a lot of service guarantees in one and the same protocol (for example, reliability, atomicity and ordering) and different levéis of guarantee in some cases, without taking into account that many multicast applications that require reliability do not need other guarantees, and (2) extend solutions adopted in the unicast environment to the multicast environment without taking into account their distinctive characteristics. So, the attempted solutions to the multicast reliability problem were end-to-end protocols (transport protocols) and centralized error recovery schemata (retransmissions made from a single point, normally the source) and global error retrieval schemata (the requested packets are retransmitted to the whole group). Generally, these approaches have resulted in protocols that are inefficient in execution time, have scaling problems, do not make optimum use of network resources and are not suitable for delay-sensitive applications. Here, the multicast reliability problem is investigated in internetworks operating in datagram mode and a new way of approaching the problem is presented: it is better to solve to the multicast reliability problem at network level and sepárate reliability from other service guarantees that can be supplied by a higher protocol or the application itself. A reliable multicast protocol that operates at network level (called RMNP) has been designed on the basis of this new approach. The most representative characteristics of the RMNP are as follows: (1) it takes a transmitter-oriented approach, which provides for a very high reliability level; (2) it provides for an error retrieval schema that is distributed (the retransmissions are made from given intermedíate routers that will always be closer to the members than the source itself) and of restricted scope (the scope of the retransmissions is confined to a given number of members), and this schema makes it possible to optimize the mean distribution delay and reduce the overload caused by retransmissions; (3) some routers include control packet aggregation and filtering functions that prevent implosión problems and reduce the traffic flowing towards the source. Simulation test have been performed in order to evalúate the behaviour of the protocol designed. The main conclusions are that the RMNP scales correctly with group size, makes optimum use of network resources and is suitable for delay-sensitive applications.

Modelado de un servicio de M-Salud basado en dinámica de sistemas

En términos generales, m-salud puede definirse como el conjunto de sistemas de información, sensores médicos y tecnologías de comunicaciones móviles para el cuidado de la salud. La creciente disponibilidad, miniaturización, comportamiento, velocidades de transmisión de datos cada vez mayores y la esperada convergencia de tecnologías de red y comunicaciones inalámbricas en torno a los sistemas de salud móviles están acelerando el despliegue de estos sistemas y la provisión de servicios de m-salud, como por ejemplo, la teleasistencia móvil. El concepto emergente de m-salud conlleva retos importantes (estudios técnicos, análisis, modelado de la provisión de servicios, etc.) que hay que afrontar para impulsar la evolución de los sistemas y servicios de e-salud ofrecidos desde tecnologías de telecomunicación que utilizan acceso por cable y redes fijas, hacia configuraciones móviles e inalámbricas de última generación. En este trabajo se analizará primeramente el significado e implicaciones de m-salud y la situación en la que se encuentra; los retos a los que hay que enfrentarse para su implantación y provisión así como su tendencia. De los múltiples y diferentes servicios que se pueden proveer se ha identificado el servicio de Localización de Personas LoPe, lanzado por Cruz Roja en febrero de 2007, para teleasistencia móvil y que permite conocer en todo momento la ubicación de la persona que porta su dispositivo asociado. Orientado a personas con discapacidad, en situación de riesgo o dependencia por deterioro cognitivo, tiene como objetivo ayudarlas a recuperar su autonomía personal. La provisión de este servicio se modelará mediante dinámica de sistemas, ya que esta teoría se considera idónea para modelar sistemas complejos que evolucionan con el tiempo. El resultado final es un modelo que implementado a través de la herramienta Studio 8® de la compañía noruega Powersim Software AS nos ha permitido analizar y evaluar su comportamiento a lo largo del tiempo, además de permitirnos extraer conclusiones sobre el mismo y plantear futuras mejoras sobre el servicio. ABSTRACT. In general terms, m-health can be defined as “mobile computing, medical sensor, and communications technologies for health care.” The increased availability, miniaturization, performance, enhanced data rates, and the expected convergence of future wireless communication and network technologies around mobile health systems are accelerating the deployment of m-health systems and services, for instance, mobile telecare. The emerging concept of m-health involves significant challenges (technical studies, analysis, modeling of service provision, etc.) that must be tackled to drive the development of e-health services and systems offered by telecommunication technologies that use wired and fixed networks towards wireless and mobile new generation networks. Firstly, in this master’s thesis, the meaning and implications of m-health and its current situation are analyzed. This analysis also includes the challenges that must be tackled for the implementation and provision of m-health technologies and services and the m-health trends. Among the many different m-health services already delivered, the Localización de Personas LoPe service has been identified to work with it. This service, launched by Spanish Red Cross in February 2007, enables to locate people who carry the associated device. It’s aimed at people with disabilities, at risk or dependency due to cognitive impairment and helps them to recover their personal autonomy. The provision of this service will be modeled with system dynamics considering that this theory suits very well the modeling of complex systems which evolve over time. The final result is a system dynamics model of the service implemented with Studio 8® tool developed by Powersim Software AS, a Norwegian company. This model has allowed us to analyze and evaluate its behaviour over time, as well as to draw conclusions and to consider some future improvements in the service.

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.