Radio link quality estimation in wireless sensor networks: a survey

Radio link quality estimation in Wireless Sensor Networks (WSNs) has a fundamental impact on the network performance and also affects the design of higher-layer protocols. Therefore, for about a decade, it has been attracting a vast array of research works. Reported works on link quality estimation are typically based on different assumptions, consider different scenarios, and provide radically different (and sometimes contradictory) results. This article provides a comprehensive survey on related literature, covering the characteristics of low-power links, the fundamental concepts of link quality estimation in WSNs, a taxonomy of existing link quality estimators, and their performance analysis. To the best of our knowledge, this is the first survey tackling in detail link quality estimation in WSNs. We believe our efforts will serve as a reference to orient researchers and system designers in this area.

A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks

In this paper, we analyze the performance limits of the slotted CSMA/CA mechanism of IEEE 802.15.4 in the beacon-enabled mode for broadcast transmissions in WSNs. The motivation for evaluating the beacon-enabled mode is due to its flexibility 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) on the network performance, namely in terms of throughput (S), average delay (D) and probability of success (Ps). 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).

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.

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.

Day-ahead resource scheduling in smart grids considering Vehicle-to-Grid and network constraints

Energy resource scheduling becomes increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and massive gridable vehicle use is envisaged. The present paper proposes a methodology for dayahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and of gridable vehicles, usually referred as Vehicle- o-Grid (V2G). This method considers that the energy resources are managed by a Virtual Power Player (VPP) which established contracts with V2G owners. It takes into account these contracts, the user´s requirements subjected to the VPP, and several discharge price steps. Full AC power flow calculation included in the model allows taking into account network constraints. The influence of the successive day requirements on the day-ahead optimal solution is discussed and considered in the proposed model. A case study with a 33 bus distribution network and V2G is used to illustrate the good performance of the proposed method.

Repeater vs. Bridge-based hybrid wired/wireless PROFIBUS networks: a comparative performance analysis

In the last years, several solutions have been proposed to extend PROFIBUS in order to support wired and wireless network stations in the same network. In this paper we compare two of those solutions, one in which the interconnection between wired and wireless stations is made by repeaters and another in which the interconnection is made by bridges. The comparison is both qualitative and numerical, based on simulation models of both architectures.

Consumers Performance Evaluation of the Participation in Demand Response Programs Using Baseline Methods

Demand response has gain increasing importance in the context of competitive electricity markets environment. The use of demand resources is also advantageous in the context of smart grid operation. In addition to the need of new business models for integrating demand response, adequate methods are necessary for an accurate determination of the consumers’ performance evaluation after the participation in a demand response event. The present paper makes a comparison between some of the existing baseline methods related to the consumers’ performance evaluation, comparing the results obtained with these methods and also with a method proposed by the authors of the paper. A case study demonstrates the application of the referred methods to real consumption data belonging to a consumer connected to a distribution network.

Metalearner based on Dynamic Neural Network for Strategic Bidding in electricity Markets

The restructuring of electricity markets, conducted to increase the competition in this sector, and decrease the electricity prices, brought with it an enormous increase in the complexity of the considered mechanisms. The electricity market became a complex and unpredictable environment, involving a large number of different entities, playing in a dynamic scene to obtain the best advantages and profits. Software tools became, therefore, essential to provide simulation and decision support capabilities, in order to potentiate the involved players’ actions. This paper presents the development of a metalearner, applied to the decision support of electricity markets’ negotiation entities. The proposed metalearner executes a dynamic artificial neural network to create its own output, taking advantage on several learning algorithms implemented in ALBidS, an adaptive learning system that provides decision support to electricity markets’ players. The proposed metalearner considers different weights for each strategy, depending on its individual quality of performance. The results of the proposed method are studied and analyzed in scenarios based on real electricity markets’ data, using MASCEM - a multi-agent electricity market simulator that simulates market players’ operation in the market.

Distributed Sensing of Fluid Dynamic Phenomena with the XDense Sensor Grid Network

IEEE International Conference on Cyber Physical Systems, Networks and Applications (CPSNA'15), Hong Kong, China.

Enhancing Agent Mediated Electronic Markets with Ontology Matching Services and Social Network Support

Os Mercados Eletrónicos atingiram uma complexidade e nível de sofisticação tão elevados, que tornaram inadequados os modelos de software convencionais. Estes mercados são caracterizados por serem abertos, dinâmicos e competitivos, e constituídos por várias entidades independentes e heterogéneas. Tais entidades desempenham os seus papéis de forma autónoma, seguindo os seus objetivos, reagindo às ocorrências do ambiente em que se inserem e interagindo umas com as outras. Esta realidade levou a que existisse por parte da comunidade científica um especial interesse no estudo da negociação automática executada por agentes de software [Zhang et al., 2011]. No entanto, a diversidade dos atores envolvidos pode levar à existência de diferentes conceptualizações das suas necessidades e capacidades dando origem a incompatibilidades semânticas, que podem prejudicar a negociação e impedir a ocorrência de transações que satisfaçam as partes envolvidas. Os novos mercados devem, assim, possuir mecanismos que lhes permitam exibir novas capacidades, nomeadamente a capacidade de auxiliar na comunicação entre os diferentes agentes. Pelo que, é defendido neste trabalho que os mercados devem oferecer serviços de ontologias que permitam facilitar a interoperabilidade entre os agentes. No entanto, os humanos tendem a ser relutantes em aceitar a conceptualização de outros, a não ser que sejam convencidos de que poderão conseguir um bom negócio. Neste contexto, a aplicação e exploração de relações capturadas em redes sociais pode resultar no estabelecimento de relações de confiança entre vendedores e consumidores, e ao mesmo tempo, conduzir a um aumento da eficiência da negociação e consequentemente na satisfação das partes envolvidas. O sistema AEMOS é uma plataforma de comércio eletrónico baseada em agentes que inclui serviços de ontologias, mais especificamente, serviços de alinhamento de ontologias, incluindo a recomendação de possíveis alinhamentos entre as ontologias dos parceiros de negociação. Este sistema inclui também uma componente baseada numa rede social, que é construída aplicando técnicas de análise de redes socias sobre informação recolhida pelo mercado, e que permite melhorar a recomendação de alinhamentos e auxiliar os agentes na sua escolha. Neste trabalho são apresentados o desenvolvimento e implementação do sistema AEMOS, mais concretamente: • É proposto um novo modelo para comércio eletrónico baseado em agentes que disponibiliza serviços de ontologias; • Adicionalmente propõem-se o uso de redes sociais emergentes para captar e explorar informação sobre relações entre os diferentes parceiros de negócio; • É definida e implementada uma componente de serviços de ontologias que é capaz de: • o Sugerir alinhamentos entre ontologias para pares de agentes; • o Traduzir mensagens escritas de acordo com uma ontologia em mensagens escritas de acordo com outra, utilizando alinhamentos previamente aprovados; • o Melhorar os seus próprios serviços recorrendo às funcionalidades disponibilizadas pela componente de redes sociais; • É definida e implementada uma componente de redes sociais que: • o É capaz de construir e gerir um grafo de relações de proximidade entre agentes, e de relações de adequação de alinhamentos a agentes, tendo em conta os perfis, comportamento e interação dos agentes, bem como a cobertura e utilização dos alinhamentos; • o Explora e adapta técnicas e algoritmos de análise de redes sociais às várias fases dos processos do mercado eletrónico. A implementação e experimentação do modelo proposto demonstra como a colaboração entre os diferentes agentes pode ser vantajosa na melhoria do desempenho do sistema e como a inclusão e combinação de serviços de ontologias e redes sociais se reflete na eficiência da negociação de transações e na dinâmica do mercado como um todo.