Localizing objects in large-scale cyber- physical systems

We use the term Cyber-Physical Systems to refer to large-scale distributed sensor systems. Locating the geographic coordinates of objects of interest is an important problemin such systems. We present a new distributed approach to localize objects and events of interest in time complexity independent of number of nodes.

Using a prioritized MAC protocol to efficiently compute aggregated quantities

Consider a distributed computer system such that every computer node can perform a wireless broadcast and when it does so, all other nodes receive this message. The computer nodes take sensor readings but individual sensor readings are not very important. It is important however to compute the aggregated quantities of these sensor readings. We show that a prioritized medium access control (MAC) protocol for wireless broadcast can compute simple aggregated quantities in a single transaction, and more complex quantities with many (but still a small number of) transactions. This leads to significant improvements in the time-complexity and as a consequence also similar reduction in energy “consumption”.

Building adaptable, QoS-aware dependable embedded systems

Most of today’s embedded systems are required to work in dynamic environments, where the characteristics of the computational load cannot always be predicted in advance. Furthermore, resource needs are usually data dependent and vary over time. Resource constrained devices may need to cooperate with neighbour nodes in order to fulfil those requirements and handle stringent non-functional constraints. This paper describes a framework that facilitates the distribution of resource intensive services across a community of nodes, forming temporary coalitions for a cooperative QoSaware execution. The increasing need to tailor provided service to each application’s specific needs determines the dynamic selection of peers to form such a coalition. The system is able to react to load variations, degrading its performance in a controlled fashion if needed. Isolation between different services is achieved by guaranteeing a minimal service quality to accepted services and by an efficient overload control that considers the challenges and opportunities of dynamic distributed embedded systems.

i-GAME: an implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 Medium Access Control (MAC) protocol is an enabling technology for time sensitive wireless sensor networks thanks to its Guaranteed-Time Slot (GTS) mechanism in the beacon-enabled mode. However, the protocol only supports explicit GTS allocation, i.e. a node allocates a number of time slots in each superframe for exclusive use. The limitation of this explicit GTS allocation is that GTS resources may quickly disappear, since a maximum of seven GTSs can be allocated in each superframe, preventing other nodes to benefit from guaranteed service. Moreover, the GTSs may be only partially used, resulting in wasted bandwidth. To overcome these limitations, this paper proposes i-GAME, an implicit GTS Allocation Mechanism in beacon-enabled IEEE 802.15.4 networks. The allocation is based on implicit GTS allocation requests, taking into account the traffic specifications and the delay requirements of the flows. The i-GAME approach enables the use of a GTS by multiple nodes, while all their (delay, bandwidth) requirements are still satisfied. For that purpose, we propose an admission control algorithm that enables to decide whether to accept a new GTS allocation request or not, based not only on the remaining time slots, but also on the traffic specifications of the flows, their delay requirements and the available bandwidth resources. We show that our proposal improves the bandwidth utilization compared to the explicit allocation used in the IEEE 802.15.4 protocol standard. We also present some practical considerations for the implementation of i-GAME, ensuring backward compatibility with the IEEE 801.5.4 standard with only minor add-ons.

Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

Time-bounded distributed QoS-aware service configuration in heterogeneous cooperative environments

The scarcity and diversity of resources among the devices of heterogeneous computing environments may affect their ability to perform services with specific Quality of Service constraints, particularly in dynamic distributed environments where the characteristics of the computational load cannot always be predicted in advance. Our work addresses this problem by allowing resource constrained devices to cooperate with more powerful neighbour nodes, opportunistically taking advantage of global distributed resources and processing power. Rather than assuming that the dynamic configuration of this cooperative service executes until it computes its optimal output, the paper proposes an anytime approach that has the ability to tradeoff deliberation time for the quality of the solution. Extensive simulations demonstrate that the proposed anytime algorithms are able to quickly find a good initial solution and effectively optimise the rate at which the quality of the current solution improves at each iteration, with an overhead that can be considered negligible.

On the performance limits of slotted CSMA/CA in IEEE 802.15.4 for broadcast transmissions in wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 has been adopted as a communication protocol standard for Low-Rate Wireless Private Area Networks (LRWPANs). While it appears as a promising candidate solution for Wireless Sensor Networks (WSNs), its adequacy must be carefully evaluated. In this paper, we analyze the performance limits of the slotted CSMA/CA medium access control (MAC) mechanism in the beacon-enabled mode for broadcast transmissions in WSNs. The motivation for evaluating the beacon-enabled mode is due to its flexibility and potential for WSN applications as compared to the non-beacon enabled mode. Our analysis is based on an accurate simulation model of the slotted CSMA/CA mechanism on top of a realistic physical layer, with respect to the IEEE 802.15.4 standard specification. The performance of the slotted CSMA/CA is evaluated and analyzed for different network settings to understand the impact of the protocol attributes (superframe order, beacon order and backoff exponent), the number of nodes and the data frame size on the network performance, namely in terms of throughput (S), average delay (D) and probability of success (Ps). We also analytically evaluate the impact of the slotted CSMA/CA overheads on the saturation throughput. We introduce the concept of utility (U) as a combination of two or more metrics, to determine the best offered load range for an optimal behavior of the network. We show that the optimal network performance using slotted CSMA/CA occurs in the range of 35% to 60% with respect to an utility function proportional to the network throughput (S) divided by the average delay (D).

On a test-bed application for the ART-WiSe framework

This report describes the development of a Test-bed Application for the ART-WiSe Framework with the aim of providing a means of access, validate and demonstrate that architecture. The chosen application is a kind of pursuit-evasion game where a remote controlled robot, navigating through an area covered by wireless sensor network (WSN), is detected and continuously tracked by the WSN. Then a centralized control station takes the appropriate actions for a pursuit robot to chase and “capture” the intruder one. This kind of application imposes stringent timing requirements to the underlying communication infrastructure. It also involves interesting research problems in WSNs like tracking, localization, cooperation between nodes, energy concerns and mobility. Additionally, it can be easily ported into a real-world application. Surveillance or search and rescue operations are two examples where this kind of functionality can be applied. This is still a first approach on the test-bed application and this development effort will be continuously pushed forward until all the envisaged objectives for the Art-WiSe architecture become accomplished.

RSS and LEA adaptation for indoor location using fingerprinting

Fingerprinting is an indoor location technique, based on wireless networks, where data stored during the offline phase is compared with data collected by the mobile device during the online phase. In most of the real-life scenarios, the mobile node used throughout the offline phase is different from the mobile nodes that will be used during the online phase. This means that there might be very significant differences between the Received Signal Strength values acquired by the mobile node and the ones stored in the Fingerprinting Map. As a consequence, this difference between RSS values might contribute to increase the location estimation error. One possible solution to minimize these differences is to adapt the RSS values, acquired during the online phase, before sending them to the Location Estimation Algorithm. Also the internal parameters of the Location Estimation Algorithms, for example the weights of the Weighted k-Nearest Neighbour, might need to be tuned for every type of terminal. This paper focuses both approaches, using Direct Search optimization methods to adapt the Received Signal Strength and to tune the Location Estimation Algorithm parameters. As a result it was possible to decrease the location estimation error originally obtained without any calibration procedure.

An embedded 1149.4 extension to support mixed-signal debugging

Debugging electronic circuits is traditionally done with bench equipment directly connected to the circuit under debug. In the digital domain, the difficulties associated with the direct physical access to circuit nodes led to the inclusion of resources providing support to that activity, first at the printed circuit level, and then at the integrated circuit level. The experience acquired with those solutions led to the emergence of dedicated infrastructures for debugging cores at the system-on-chip level. However, all these developments had a small impact in the analog and mixed-signal domain, where debugging still depends, to a large extent, on direct physical access to circuit nodes. As a consequence, when analog and mixed-signal circuits are integrated as cores inside a system-on-chip, the difficulties associated with debugging increase, which cause the time-to-market and the prototype verification costs to also increase. The present work considers the IEEE1149.4 infrastructure as a means to support the debugging of mixed-signal circuits, namely to access the circuit nodes and also an embedded debug mechanism named mixed-signal condition detector, necessary for watch-/breakpoints and real-time analysis operations. One of the main advantages associated with the proposed solution is the seamless migration to the system-on-chip level, as the access is done through electronic means, thus easing debugging operations at different hierarchical levels.

Ferramenta de gestão de redes MESH

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Telecomunicações

WeSenseNET - Plataforma de Visualização, Gestão Remota e Agregação Múltipla de Dados

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes de electrónica associados a novos conceitos têm permitido nascer novas ideias e projectos, que até há alguns anos não passariam de ficção científica. Talvez o exemplo mais acabado seja actualmente o smartphone, um pequeno bloco de hardware e software, com capacidade de processamento que ultrapassa várias vezes o dos computadores com uma dúzia de anos. Estas capacidades têm sido utilizadas em comunicações, blocos de notas, agendas e até entretenimento. No entanto, podem ser reutilizadas para ajudar a resolver algumas limitações/constrangimentos da actualidade. Dentro destes destacam-se a gestão de recursos escassos. Com efeito, o consumo de energia eléctrica tem aumentado como consequência directa do desenvolvimento global e aumento do número de aparelhos eléctricos. Uma percentagem significativa de energia eléctrica tem sido produzida através de recursos não-renováveis de energia. No entanto, a dependência energética, associada à subida de preços e a redução das emissões de gases do efeito estufa, estimula o desenvolvimento de novas soluções que permitam lidar com esta situação. O desempenho energético por sua vez depende não só das características da estrutura, mas também do comportamento do utilizador. O desempenho energético dos edifícios é muito importante, uma vez que os respectivos consumos são responsáveis por mais de metade do total da energia produzida. Desta forma, a fim de alcançar um melhor desempenho é importante não só considerar o desempenho de estrutura, mas também monitorizar o comportamento do utilizador. Esta última questão coloca várias limitações, uma vez que depende muito do tipo de utilizador. Um dos conceitos actuais emergentes são as chamadas redes de sensores sem fio. Com esta tecnologia, pequenos módulos podem ser desenvolvidos com muitas possibilidades de conectividade, com elevado poder de processamento e com grande autonomia, sem serem excessivamente caros. Isto proporciona os meios para implementar vários dispositivos em toda a instalação, para recolher uma variedade de dados, sendo posteriormente armazenados num servidor. Os blocos fundamentais da infra-estrutura de sensores do projecto foram concebidos na Evoleo Technologies em simultâneo com o decorrer do estágio. Estes blocos recolhem dados específicos na instalação, e periodicamente enviam para o servidor central os valores recolhidos, onde são armazenados e colocados à disposição do utilizador. Os dados recolhidos podem então ser apresentados ao utilizador, proporcionando um registo de consumo de energia associado a um dado período de tempo. Uma vez que todos os dados são armazenados no servidor, podem ser efectuados estudos para determinar o uso típico, possíveis problemas em aparelhos, a qualidade da energia eléctrica, etc., permitindo determinar onde a energia está a ser eventualmente desperdiçada e fornecendo dados ao utilizador para que este possa proceder a alterações, tendo por base dados recolhidos num dado período. O objectivo principal deste trabalho passa por estabelecer a ligação entre o nível máquina e o nível de utilizador, isto é, uma plataforma de interacção entre dispositivos e administrador da instalação. Fornecer os dados de uma forma fácil e sem necessidade de instalação de software específico em cada dispositivo que se pretenda utilizar para monitorizar foi uma das principais preocupações das fases de concepção do projecto.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.

Sistema de medição de temperatura corporal baseado em rede de sensores sem fios ANT

O presente projeto enquadra-se na área das redes de sensores sem fios, onde o seu crescente desenvolvimento permite aplicar esta tecnologia em diversas áreas, como por exemplo, na monitorização ambiental, utilização militar, domótica, saúde, entre outras. Uma rede de sensores sem fios consiste em diversos nós dispersos num campo de aplicação onde procedem à recolha de dados do ambiente em que estão inseridos, como o valor de uma temperatura, humidade ou outra grandeza física, e os transmitem para uma estação base onde podem ser monitorizados. Tendo a área da saúde uma importância significativa, este projeto focalizou-se na mesma. O projeto apresentado nesta dissertação teve como principal objetivo o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fios, em que dois nós procedam à aquisição da temperatura corporal de uma pessoa em dois locais distintos, para posterior envio da mesma para os restantes nós da rede, onde será apresentada em estações de monitorização. Este projeto foi desenvolvido baseado num recente protocolo de redes sem fios, nomeadamente o protocolo ANTTM. Assim sendo, em primeiro lugar, serão abordados neste relatório os objetivos e a contextualização deste projeto. Em seguida, será apresentada uma comparação sobre alguns aspetos de algumas tecnologias de comunicações sem fios, nomeadamente o ZigBee, Bluetooth e ANT. Devido ao fato da tecnologia ANT ser a escolhida para o desenvolvimento deste projeto, será também apresentado um estudo mais detalhado sobre o mesmo. Depois, será apresentado o desenvolvimento e implementações efetuadas, e por último serão apresentadas as conclusões técnicas e pessoais que este projeto permitiu obter.

A Lei de ZIPF ou Regra 80/20 da Internet

As Leis de Potência, LP, (Power Laws, em inglês), Leis de Pareto ou Leis de Zipf são distribuições estatísticas, com inúmeras aplicações práticas, em sistemas naturais e artificiais. Alguns exemplos são a variação dos rendimentos pessoais ou de empresas, a ocorrência de palavras em textos, as repetições de sons ou conjuntos de sons em composições musicais, o número de vítimas em guerras ou outros cataclismos, a magnitude de tremores de terra, o número de vendas de livros ou CD’s na internet, o número de sítios mais acedidos na Internet, entre muitos outros. Vilfredo Pareto (1897-1906) afirma, no manual de economia política “Cours d’Economie Politique”, que grande parte da economia mundial segue uma determinada distribuição, em que 20% da população reúne 80% da riqueza total do país, estando, assim uma pequena fração da sociedade a controlar a maior fatia do dinheiro. Isto resume o comportamento de uma variável que segue uma distribuição de Pareto (ou Lei de Potência). Neste trabalho pretende-se estudar em pormenor a aplicação das leis de potência a fenómenos da internet, como sendo o número de sítios mais visitados, o número de links existentes em determinado sítio, a distribuição de nós numa rede da internet, o número livros vendidos e as vendas em leilões online. Os resultados obtidos permitem-nos concluir que todos os dados estudados são bem aproximados, numa escala logarítmica, por uma reta com declive negativo, seguindo, assim, uma distribuição de Pareto. O desenvolvimento e crescimento da Web, tem proporcionado um aumento do número dos utilizadores, conteúdos e dos sítios. Grande parte dos exemplos presentes neste trabalho serão alvo de novos estudos e de novas conclusões. O fato da internet ter um papel preponderante nas sociedades modernas, faz com que esteja em constante evolução e cada vez mais seja possível apresentar fenómenos na internet associados Lei de Potência.