System Level Simulation and Radio Resource Management for Distributed Antenna Systems with Cognitive Radio and Multi-Cell Cooperation

4th International Conference on Future Generation Communication Technologies (FGCT 2015), Luton, United Kingdom.

Performance Analysis of IEEE 802.15.6 Contention-based MAC Protocol

IEEE International Conference on Communications (IEEE ICC 2015). 8 to 12, Jun, 2015, IEEE ICC 2015 - Communications QoS, Reliability and Modeling, London, United Kingdom.

RoutesMobilityModel: easy realistic mobility simulation using external information services

Workshop on ns-3 (WNS '15). 13, May, 2015. Castelldefels, Spain.

A Fractional Perspective to the Bond Graph Modelling of World Economies

Inspired in dynamic systems theory and Brewer’s contributions to apply it to economics, this paper establishes a bond graph model. Two main variables, a set of inter-connectivities based on nodes and links (bonds) and a fractional order dynamical perspective, prove to be a good macro-economic representation of countries’ potential performance in nowadays globalization. The estimations based on time series for 50 countries throughout the last 50 decades confirm the accuracy of the model and the importance of scale for economic performance.

Allocation of Parallel Real-Time Tasks in Distributed Multi-core Architectures supported by an FTT-SE Network

Distributed real-time systems such as automotive applications are becoming larger and more complex, thus, requiring the use of more powerful hardware and software architectures. Furthermore, those distributed applications commonly have stringent real-time constraints. This implies that such applications would gain in flexibility if they were parallelized and distributed over the system. In this paper, we consider the problem of allocating fixed-priority fork-join Parallel/Distributed real-time tasks onto distributed multi-core nodes connected through a Flexible Time Triggered Switched Ethernet network. We analyze the system requirements and present a set of formulations based on a constraint programming approach. Constraint programming allows us to express the relations between variables in the form of constraints. Our approach is guaranteed to find a feasible solution, if one exists, in contrast to other approaches based on heuristics. Furthermore, approaches based on constraint programming have shown to obtain solutions for these type of formulations in reasonable time.

On the Scalability of Constructive Interference in Low-Power Wireless Networks

12th European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN 2015). 9 to 11, Feb, 2015. Porto, Portugal

A module for the FTT-SE protocol in ns-3

Demo in Workshop on ns-3 (WNS3 2015). 13 to 14, May, 2015. Castelldefels, Spain.

Sensor Integration for Smart Cities Using Multi-Hop Networks

Smart Cities are designed to be living systems and turn urban dwellers life more comfortable and interactive by keeping them aware of what surrounds them, while leaving a greener footprint. The Future Cities Project [1] aims to create infrastructures for research in smart cities including a vehicular network, the BusNet, and an environmental sensor platform, the Urban Sense. Vehicles within the BusNet are equipped with On Board Units (OBUs) that offer free Wi-Fi to passengers and devices near the street. The Urban Sense platform is composed by a set of Data Collection Units (DCUs) that include a set of sensors measuring environmental parameters such as air pollution, meteorology and noise. The Urban Sense platform is expanding and receptive to add new sensors to the platform. The parnership with companies like TNL were made and the need to monitor garbage street containers emerged as air pollution prevention. If refuse collection companies know prior to the refuse collection which route is the best to collect the maximum amount of garbage with the shortest path, they can reduce costs and pollution levels are lower, leaving behind a greener footprint. This dissertation work arises in the need to monitor the garbage street containers and integrate these sensors into an Urban Sense DCU. Due to the remote locations of the garbage street containers, a network extension to the vehicular network had to be created. This dissertation work also focus on the Multi-hop network designed to extend the vehicular network coverage area to the remote garbage street containers. In locations where garbage street containers have access to the vehicular network, Roadside Units (RSUs) or Access Points (APs), the Multi-hop network serves has a redundant path to send the data collected from DCUs to the Urban Sense cloud database. To plan this highly dynamic network, the Wi-Fi Planner Tool was developed. This tool allowed taking measurements on the field that led to an optimized location of the Multi-hop network nodes with the use of radio propagation models. This tool also allowed rendering a temperature-map style overlay for Google Earth [2] application. For the DCU for garbage street containers the parner company provided the access to a HUB (device that communicates with the sensor inside the garbage containers). The Future Cities use the Raspberry pi as a platform for the DCUs. To collect the data from the HUB a RS485 to RS232 converter was used at the physical level and the Modbus protocol at the application level. To determine the location and status of the vehicles whinin the vehicular network a TCP Server was developed. This application was developed for the OBUs providing the vehicle Global Positioning System (GPS) location as well as information of when the vehicle is stopped, moving, on idle or even its slope. To implement the Multi-hop network on the field some scripts were developed such as pingLED and “shark”. These scripts helped upon node deployment on the field as well as to perform all the tests on the network. Two setups were implemented on the field, an urban setup was implemented for a Multi-hop network coverage survey and a sub-urban setup was implemented to test the Multi-hop network routing protocols, Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) and Babel.

mRPL: Boosting mobility in the Internet of Things

The 6loWPAN (the light version of IPv6) and RPL (routing protocol for low-power and lossy links) protocols have become de facto standards for the Internet of Things (IoT). In this paper, we show that the two native algorithms that handle changes in network topology – the Trickle and Neighbor Discovery algorithms – behave in a reactive fashion and thus are not prepared for the dynamics inherent to nodes mobility. Many emerging and upcoming IoT application scenarios are expected to impose real-time and reliable mobile data collection, which are not compatible with the long message latency, high packet loss and high overhead exhibited by the native RPL/6loWPAN protocols. To solve this problem, we integrate a proactive hand-off mechanism (dubbed smart-HOP) within RPL, which is very simple, effective and backward compatible with the standard protocol. We show that this add-on halves the packet loss and reduces the hand-off delay dramatically to one tenth of a second, upon nodes’ mobility, with a sub-percent overhead. The smart-HOP algorithm has been implemented and integrated in the Contiki 6LoWPAN/RPL stack (source-code available on-line mrpl: smart-hop within rpl, 2014) and validated through extensive simulation and experimentation.

Energy-efficient MAC protocols for WBANs: Opportunities and challenges

Wireless body area networks (WBANs) are expected to play a significant role in smart healthcare systems. One of the most important attributes of WBANs is to increase network lifetime by introducing novel and low-power techniques on the energy-constrained sensor nodes. Medium access control (MAC) protocols play a significant role in determining the energy consumption in WBANs. Existing MAC protocols are unable to accommodate communication requirements in WBANs. There is a need to develop novel, scalable and reliable MAC protocols that must be able to address all these requirements in a reliable manner. In this special issue, we attracted high quality research and review papers on the recent advances in MAC protocols for WBANs.

Feature Extraction in Densely Sensed Environments: Extensions to Multiple Broadcast Domains

The vision of the Internet of Things (IoT) includes large and dense deployment of interconnected smart sensing and monitoring devices. This vast deployment necessitates collection and processing of large volume of measurement data. However, collecting all the measured data from individual devices on such a scale may be impractical and time consuming. Moreover, processing these measurements requires complex algorithms to extract useful information. Thus, it becomes imperative to devise distributed information processing mechanisms that identify application-specific features in a timely manner and with a low overhead. In this article, we present a feature extraction mechanism for dense networks that takes advantage of dominance-based medium access control (MAC) protocols to (i) efficiently obtain global extrema of the sensed quantities, (ii) extract local extrema, and (iii) detect the boundaries of events, by using simple transforms that nodes employ on their local data. We extend our results for a large dense network with multiple broadcast domains (MBD). We discuss and compare two approaches for addressing the challenges with MBD and we show through extensive evaluations that our proposed distributed MBD approach is fast and efficient at retrieving the most valuable measurements, independent of the number sensor nodes in the network.

Cross-Layer Admission Control to Enhance the Support of Real-Time Applications in WSN

Real-time monitoring applications may be used in a wireless sensor network (WSN) and may generate packet flows with strict quality of service requirements in terms of delay, jitter, or packet loss. When strict delays are imposed from source to destination, the packets must be delivered at the destination within an end-to-end delay (EED) hard limit in order to be considered useful. Since the WSN nodes are scarce both in processing and energy resources, it is desirable that they only transport useful data, as this contributes to enhance the overall network performance and to improve energy efficiency. In this paper, we propose a novel cross-layer admission control (CLAC) mechanism to enhance the network performance and increase energy efficiency of a WSN, by avoiding the transmission of potentially useless packets. The CLAC mechanism uses an estimation technique to preview packets EED, and decides to forward a packet only if it is expected to meet the EED deadline defined by the application, dropping it otherwise. The results obtained show that CLAC enhances the network performance by increasing the useful packet delivery ratio in high network loads and improves the energy efficiency in every network load.

Desenvolvimento e Controlo de um Veículo Autónomo Aéreo Quadrotor

A crescente necessidade de meios de inspecção e recolha de informação de infraestruturas e do meio ambiente natural, origina o recurso a meios tecnológicos cada vez mais evoluídos. Neste contexto, os robôs móveis autónomos aéreos surgem como uma ferramenta importante. Em particular, os veículos aéreos de asa móvel, pela sua manobrabilidade e controlo podem-se utilizar eficazmente em meios complexos como cenários interiores onde o ambiente é parcialmente controlado. A sua utilização em coordenação com outros veículos robóticos móveis e em particular com a crescente autonomia de decisão, permitem uma eficiência elevada, por exemplo, em tarefas de recolha automática de informação, vigilância, apoio a comunicações, etc. A inexistência de um veículo autónomo de asa móvel no cenário multi-robótico desenvolvido pelo Laboratório de Sistemas Autónomos do Instituto Superior de Engenharia do Porto, aliada às suas aplicações referidas, criou a necessidade do desenvolvimento de um veículo desta gama. Identificou-se, pois, o desenvolvimento de um veículo autónomo aéreo do tipo quadrotor com capacidade de vôo base estabilizado como o problema a resolver. Foi efectuado um levantamento de requisitos do sistema, a caracterização de um veículo autónomo aéreo Vertical Take-off and Landing - VTOL, e efectuado um trabalho de pesquisa a fim de possibilitar o conhecimento das técnicas e tecnologias envolvidas. Tendo em vista o objectivo de controlo e estabilização do veículo, foi efectuada a modelização do sistema que serviu não só para a melhor compreensão da sua dinâmica mas também para o desenvolvimento de um simulador que possibilitou a validação de estratégias de controlo e avaliação de comportamentos do veículo para diferentes cenários. A inexistência de controladores de motores brushless adequada (frequência de controlo), originou o desenvolvimento de um controlador dedicado para motores brushless, motores esses utilizados para a propulsão do veículo. Este controlador permite uma taxa de controlo a uma frequência de 20KHz, possui múltiplas interfaces de comunicação (CAN, RS232, Ethernet, SPI e JTAG), é de reduzido peso e dimensões e modular, visto ter sido implementado em dois módulos, i.e., permite a sua utilização com diferentes interfaces de potência. Projectou-se um veículo autónomo aéreo em termos físicos com a definição da sua arquitectura de hardware e software bem como o sistema de controlo de vôo. O sistema de estabilização de vôo compreende o processamento de informação fornecida por um sistema de navegação inercial, um sonar e o envio de referências de velocidade para cada um dos nós de controlo ligados a um barramento CAN instalado no veículo. A implementação do veículo foi alcançada nas suas vertentes mecânica, de hardware e software. O UAV foi equipado com um sistema computacional dotando-o de capacidades para o desempenho de tarefas previamente analisadas. No presente trabalho, são também tiradas algumas conclusões sobre o desenvolvimento do sistema e sua implementação bem como perspectivada a sua evolução futura no contexto de missões coordenadas de múltiplos veículos robóticos.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.