Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Acesso banda larga sem fios em ambientes heterogéneos de próxima geração

O acesso ubíquo à Internet é um dos principais desafios para os operadores de telecomunicações na próxima década. O número de utilizadores da Internet está a crescer exponencialmente e o paradigma de acesso "always connected, anytime, anywhere" é um requisito fundamental para as redes móveis de próxima geração. A tecnologia WiMAX, juntamente com o LTE, foi recentemente reconhecida pelo ITU como uma das tecnologias de acesso compatíveis com os requisitos do 4G. Ainda assim, esta tecnologia de acesso não está completamente preparada para ambientes de próxima geração, principalmente devido à falta de mecanismos de cross-layer para integração de QoS e mobilidade. Adicionalmente, para além das tecnologias WiMAX e LTE, as tecnologias de acesso rádio UMTS/HSPA e Wi-Fi continuarão a ter um impacto significativo nas comunicações móveis durante os próximos anos. Deste modo, é fundamental garantir a coexistência das várias tecnologias de acesso rádio em termos de QoS e mobilidade, permitindo assim a entrega de serviços multimédia de tempo real em redes móveis. Para garantir a entrega de serviços multimédia a utilizadores WiMAX, esta Tese propõe um gestor cross-layer WiMAX integrado com uma arquitectura de QoS fim-a-fim. A arquitectura apresentada permite o controlo de QoS e a comunicação bidireccional entre o sistema WiMAX e as entidades das camadas superiores. Para além disso, o gestor de cross-layer proposto é estendido com eventos e comandos genéricos e independentes da tecnologia para optimizar os procedimentos de mobilidade em ambientes WiMAX. Foram realizados testes para avaliar o desempenho dos procedimentos de QoS e mobilidade da arquitectura WiMAX definida, demonstrando que esta é perfeitamente capaz de entregar serviços de tempo real sem introduzir custos excessivos na rede. No seguimento das extensões de QoS e mobilidade apresentadas para a tecnologia WiMAX, o âmbito desta Tese foi alargado para ambientes de acesso sem-fios heterogéneos. Neste sentido, é proposta uma arquitectura de mobilidade transparente com suporte de QoS para redes de acesso multitecnologia. A arquitectura apresentada integra uma versão estendida do IEEE 802.21 com suporte de QoS, bem como um gestor de mobilidade avançado integrado com os protocolos de gestão de mobilidade do nível IP. Finalmente, para completar o trabalho desenvolvido no âmbito desta Tese, é proposta uma extensão aos procedimentos de decisão de mobilidade em ambientes heterogéneos para incorporar a informação de contexto da rede e do terminal. Para validar e avaliar as optimizações propostas, foram desenvolvidos testes de desempenho num demonstrador inter-tecnologia, composta pelas redes de acesso WiMAX, Wi-Fi e UMTS/HSPA.

Electronic health records for mobile citizens: a secure and collaborative architecture

Durante as ultimas décadas, os registos de saúde eletrónicos (EHR) têm evoluído para se adaptar a novos requisitos. O cidadão tem-se envolvido cada vez mais na prestação dos cuidados médicos, sendo mais pró ativo e desejando potenciar a utilização do seu registo. A mobilidade do cidadão trouxe mais desafios, a existência de dados dispersos, heterogeneidade de sistemas e formatos e grande dificuldade de partilha e comunicação entre os prestadores de serviços. Para responder a estes requisitos, diversas soluções apareceram, maioritariamente baseadas em acordos entre instituições, regiões e países. Estas abordagens são usualmente assentes em cenários federativos muito complexos e fora do controlo do paciente. Abordagens mais recentes, como os registos pessoais de saúde (PHR), permitem o controlo do paciente, mas levantam duvidas da integridade clinica da informação aos profissionais clínicos. Neste cenário os dados saem de redes e sistemas controlados, aumentando o risco de segurança da informação. Assim sendo, são necessárias novas soluções que permitam uma colaboração confiável entre os diversos atores e sistemas. Esta tese apresenta uma solução que permite a colaboração aberta e segura entre todos os atores envolvidos nos cuidados de saúde. Baseia-se numa arquitetura orientada ao serviço, que lida com a informação clínica usando o conceito de envelope fechado. Foi modelada recorrendo aos princípios de funcionalidade e privilégios mínimos, com o propósito de fornecer proteção dos dados durante a transmissão, processamento e armazenamento. O controlo de acesso _e estabelecido por políticas definidas pelo paciente. Cartões de identificação eletrónicos, ou certificados similares são utilizados para a autenticação, permitindo uma inscrição automática. Todos os componentes requerem autenticação mútua e fazem uso de algoritmos de cifragem para garantir a privacidade dos dados. Apresenta-se também um modelo de ameaça para a arquitetura, por forma a analisar se as ameaças possíveis foram mitigadas ou se são necessários mais refinamentos. A solução proposta resolve o problema da mobilidade do paciente e a dispersão de dados, capacitando o cidadão a gerir e a colaborar na criação e manutenção da sua informação de saúde. A arquitetura permite uma colaboração aberta e segura, possibilitando que o paciente tenha registos mais ricos, atualizados e permitindo o surgimento de novas formas de criar e usar informação clínica ou complementar.

Communication middleware for the future mobile internet

A evolução constante em novas tecnologias que providenciam suporte à forma como os nossos dispositivos se ligam, bem como a forma como utilizamos diferentes capacidades e serviços on-line, criou um conjunto sem precedentes de novos desafios que motivam o desenvolvimento de uma recente área de investigação, denominada de Internet Futura. Nesta nova área de investigação, novos aspectos arquiteturais estão ser desenvolvidos, os quais, através da re-estruturação de componentes nucleares subjacentesa que compõem a Internet, progride-a de uma forma capaz de não são fazer face a estes novos desafios, mas também de a preparar para os desafios de amanhã. Aspectos chave pertencendo a este conjunto de desafios são os ambientes de rede heterogéneos compostos por diferentes tipos de redes de acesso, a cada vez maior mudança do tráfego peer-to-peer (P2P) como o tipo de tráfego mais utilizado na Internet, a orquestração de cenários da Internet das Coisas (IoT) que exploram mecanismos de interação Maquinaa-Maquina (M2M), e a utilização de mechanismos centrados na informação (ICN). Esta tese apresenta uma nova arquitetura capaz de simultaneamente fazer face a estes desafios, evoluindo os procedimentos de conectividade e entidades envolvidas, através da adição de uma camada de middleware, que age como um mecanismo de gestão de controlo avançado. Este mecanismo de gestão de controlo aproxima as entidades de alto nível (tais como serviços, aplicações, entidades de gestão de mobilidade, operações de encaminhamento, etc.) com as componentes das camadas de baixo nível (por exemplo, camadas de ligação, sensores e atuadores), permitindo uma otimização conjunta dos procedimentos de ligação subjacentes. Os resultados obtidos não só sublinham a flexibilidade dos mecanismos que compoem a arquitetura, mas também a sua capacidade de providenciar aumentos de performance quando comparados com outras soluÇÕes de funcionamento especÍfico, enquanto permite um maior leque de cenáios e aplicações.

Inter layer and cooperative design strategies for green mobile networks

The promise of a truly mobile experience is to have the freedom to roam around anywhere and not be bound to a single location. However, the energy required to keep mobile devices connected to the network over extended periods of time quickly dissipates. In fact, energy is a critical resource in the design of wireless networks since wireless devices are usually powered by batteries. Furthermore, multi-standard mobile devices are allowing users to enjoy higher data rates with ubiquitous connectivity. However, the bene ts gained from multiple interfaces come at a cost in terms of energy consumption having profound e ect on the mobile battery lifetime and standby time. This concern is rea rmed by the fact that battery lifetime is one of the top reasons why consumers are deterred from using advanced multimedia services on their mobile on a frequent basis. In order to secure market penetration for next generation services energy e ciency needs to be placed at the forefront of system design. However, despite recent e orts, energy compliant features in legacy technologies are still in its infancy, and new disruptive architectures coupled with interdisciplinary design approaches are required in order to not only promote the energy gain within a single protocol layer, but to enhance the energy gain from a holistic perspective. A promising approach is cooperative smart systems, that in addition to exploiting context information, are entities that are able to form a coalition and cooperate in order to achieve a common goal. Migrating from this baseline, this thesis investigates how these technology paradigm can be applied towards reducing the energy consumption in mobile networks. In addition, we introduce an additional energy saving dimension by adopting an interlayer design so that protocol layers are designed to work in synergy with the host system, rather than independently, for harnessing energy. In this work, we exploit context information, cooperation and inter-layer design for developing new energy e cient and technology agnostic building blocks for mobile networks. These technology enablers include energy e cient node discovery and short-range cooperation for energy saving in mobile handsets, complemented by energy-aware smart scheduling for promoting energy saving on the network side. Analytical and simulations results were obtained, and veri ed in the lab on a real hardware testbed. Results have shown that up to 50% energy saving could be obtained.

Architecture for real-time coordination of multiple autonomous mobile units

Interest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.

Perception and software architecture for mobile robotics

When developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.