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

In the last decade mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. It is expected that this tendency will continue to increase with the convergence of fixed Internet wired networks with mobile ones and with the evolution to the full IP architecture paradigm. Therefore mobile wireless communications will be of paramount importance on the development of the information society of the near future. In particular a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation. 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigm). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications to be available in the near future. The approach followed in the design and implementation of the mobile wireless networks of current generation (2G and 3G) has been the stratification of the architecture into a communication protocol model composed by a set of layers, in which each one encompasses some set of functionalities. In such protocol layered model, communications is only allowed between adjacent layers and through specific interface service points. This modular concept eases the implementation of new functionalities as the behaviour of each layer in the protocol stack is not affected by the others. However, the fact that lower layers in the protocol stack model do not utilize information available from upper layers, and vice versa, downgrades the performance achieved. This is particularly relevant if multiple antenna systems, in a MIMO (Multiple Input Multiple Output) configuration, are implemented. MIMO schemes introduce another degree of freedom for radio resource allocation: the space domain. Contrary to the time and frequency domains, radio resources mapped into the spatial domain cannot be assumed as completely orthogonal, due to the amount of interference resulting from users transmitting in the same frequency sub-channel and/or time slots but in different spatial beams. Therefore, the availability of information regarding the state of radio resources, from lower to upper layers, is of fundamental importance in the prosecution of the levels of QoS expected from those multimedia applications. In order to match applications requirements and the constraints of the mobile radio channel, in the last few years researches have proposed a new paradigm for the layered architecture for communications: the cross-layer design framework. In a general way, the cross-layer design paradigm refers to a protocol design in which the dependence between protocol layers is actively exploited, by breaking out the stringent rules which restrict the communication only between adjacent layers in the original reference model, and allowing direct interaction among different layers of the stack. An efficient management of the set of available radio resources demand for the implementation of efficient and low complexity packet schedulers which prioritize user’s transmissions according to inputs provided from lower as well as upper layers in the protocol stack, fully compliant with the cross-layer design paradigm. Specifically, efficiently designed packet schedulers for 4G networks should result in the maximization of the capacity available, through the consideration of the limitations imposed by the mobile radio channel and comply with the set of QoS requirements from the application layer. IEEE 802.16e standard, also named as Mobile WiMAX, seems to comply with the specifications of 4G mobile networks. The scalable architecture, low cost implementation and high data throughput, enable efficient data multiplexing and low data latency, which are attributes essential to enable broadband data services. Also, the connection oriented approach of Its medium access layer is fully compliant with the quality of service demands from such applications. Therefore, Mobile WiMAX seems to be a promising 4G mobile wireless networks candidate. In this thesis it is proposed the investigation, design and implementation of packet scheduling algorithms for the efficient management of the set of available radio resources, in time, frequency and spatial domains of the Mobile WiMAX networks. The proposed algorithms combine input metrics from physical layer and QoS requirements from upper layers, according to the crosslayer design paradigm. Proposed schedulers are evaluated by means of system level simulations, conducted in a system level simulation platform implementing the physical and medium access control layers of the IEEE802.16e standard.

Dispositivos de monitorização e controlo automático de factores climáticos em museus

As redes de comunicação sem fios são uma área de grande desenvolvimento. As tecnologias progridem e criam-se novas oportunidades de implementação de novos dispositivos nesta área. Neste tipo de redes, encontram-se as redes de sensores sem fios (WSN- Wireless Sensor Networks), que são constituídas por vários dispositivos (Nós Sensores) que colaboram entre si, para recolher e encaminhar informação sobre um determinado fenómeno físico até uma estação base. A um outro nível, a preservação das obras de arte é uma preocupação fundamental de todos os Museus. Existe a necessidade de conservar ao máximo as características genuínas de cada artefacto. Para tal, torna-se essencial uma monitorização e controlo de alguns factores ambientais, que podem danificar ou alterar as características dos materiais. Essa monitorização é realizada nos museus da Madeira, mas de uma forma manual e recorrendo a aparelhos que são dispendiosos e um pouco arcaicos. Assim sendo, tornou-se necessário encontrar uma solução, para a realização dessa tarefa de uma forma automática e contínua. As WSN oferecem uma resposta para estas necessidades, surgindo assim o projecto WISE-MUSE, que visa a monitorização ambiental para a conservação de obras de arte e artigos históricos, através de redes sem fios.Portanto, este projecto de Mestrado em Telecomunicações e Redes tem como área de acção a camada física da arquitectura do sistema WISE-MUSE. Neste sentido, desenvolveu-se um conjunto de dispositivos electrónicos, para monitorização e controlo de factores climáticos no Museu de arte contemporânea do Funchal. A ligação entre dispositivos e transmissão dos dados recolhidos foi assegurada através da implementação de uma rede sem fios. Ao nível dos nós sensores construídos, os desenvolvimentos mais importantes tiveram como meta a minimização de custos, consumo energético e dimensões dos mesmos. Além dos sensores, foram desenvolvidos outros componentes da rede, nomeadamente dispositivos routers e um dispositivo que permite o controlo automático da humidade.

Sistema de notificação e extensão da plataforma WISE-MUSE

A integração de sensores em estruturas, máquinas e ambientes, juntamente com uma eficiente recolha e envio de informação, trazem elevados benefícios para as sociedades actuais. Nesse sentido, com a crescente importância que as redes sem fios (WSN) assumem no contexto da qualidade de vida dos indivíduos, principalmente ao nível das comunicações, é fundamental procedermos à exploração das suas diversas potencialidades nos mais variados âmbitos. Deste modo, as WSN podem ser aplicadas em diversas áreas: saúde, monitorização ambiental, segurança de edifícios, indústria, monitorização de tráfego, monitorização de terramotos ou outras catástrofes naturais. Assim surge o projecto WISE-MUSE (Environmental Monitoring based on Wireless Sensor Networks for conservation of artwork and historical archives), que visa a implementação de um conjunto de soluções que permitem a monitorização contínua e automática de parâmetros ambientais (luminosidade, humidade, temperatura e CO2) através de WSN em museus. Este projecto de Mestrado em Engenharia Informática situa-se no âmbito deste projecto WISE-MUSE e tem como intuito: (i) a extensão da plataforma de monitorização de modo a recolher os dados das portas de emergência; (ii) a implementação de um sistema de notificações e alarmes via SMS e E-mail; e (iii) o desenvolvimento da plataforma Web WISE-MUSE, que permita a visualização remota dos dados dos sensores e das portas de uma forma integrada e em tempo real.

WISE-MANager: criação e gestão de sessões colaborativas em redes de sensores sem fio

As redes de sensores sem fios (WSN- WSN-Wireless Sensor Network) utilizam um grande número de dispositivos sem fios (sensores), que são de baixo custo e equipados com interfaces wireless. Utilizam um conjunto de sensores autónomos que colaboram entre si para efectuar a monitorização das condições ambientais, tais como: temperatura, oxigénio, luz, humidade, pressão, gases poluentes, entre outras. Estas redes podem operar durante largos períodos de tempo, sem intervenção humana, sendo que esse tempo depende do nível de bateria desses nós. De modo a que os gestores de um Museu possam gerir de forma mais adequada as obras de arte e arquivos históricos, surge o projecto WISE-MUSE – Environmental Monitoring based on Wireless Sensor Networks, que permite implementar soluções para a monitorização museológica, com a utilização de redes de sensores sem fios. Actualmente, a colaboração entre o utilizador e a WSN é muito ténue, sendo que apenas existe colaboração entre os nós sensores. De forma a aumentar esta colaboração, e no âmbito do projecto WISE-MUSE surge o CWSN – Collaborative Wireless Sensor Network Model, que define um modelo de colaboração na rede de sensores sem fios, permitindo a utilização de sessões colaborativas para a monitorização da rede. Com o intuito de obter o máximo rendimento da rede, é necessário definir qual o deployment a utilizar. O tipo de deployment de uma WSN é a forma como os nós são distribuídos pela rede. Em zonas longínquas, ou de difícil acesso, os nós são colocados de forma aleatória, por exemplo, caiem de um avião. Nos locais de fácil acesso, podem ser colocados no local exacto. Portanto, este projecto de Mestrado de Engenharia Informática apresenta duas contribuições principais: (i) um estudo de propagação no Museu da Baleia; e; (ii) o WISE-MANager, um sistema de gestão de sessões colaborativas. De forma a definir qual o deployment da rede a instalar no Museu da Baleia, será apresentado um estudo de propagação do sinal empírico, que determinou a melhor posição física dos nós, para que a rede tenha uma boa performance. O sistema WISE-MANager permite a criação, monitorização e gestão de sessões colaborativas numa WSN baseada no protocolo Zigbee. O intuito da utilização de sessões colaborativas é proporcionar uma melhor interacção entre o utilizador e a WSN, visto que o utilizador pode personalizar o tipo de monitorização a efectuar (por nó sensor, por fenómeno ou por intervalo de tempo), e interrogar à rede e aos seus componentes, aumentando assim a flexibilidade da WSN.A gestão de redes de sensores sem fios é muito importante para que o utilizador tenha controlo sobre a mesma ao saber quais os dispositivos da rede, assim como o seu nível de energia. Por tanto, através de WISE-MANager, os gestores do Museu serão capazes de analisar a rede, detectar eventuais problemas e obter parâmetros específicos.

Breadcrumbs: location and context aware mobile platform for story sharing

With the current proliferation of sensor equipped mobile devices such as smartphones and tablets, location aware services are expanding beyond the mere efficiency and work related needs of users, evolving in order to incorporate fun, culture and the social life of users. Today people on the move have more and more connectivity and are expected to be able to communicate with their usual and familiar social networks. That means communications not only with their peers and colleagues, friends and family but also with unknown people that might share their interests, curiosities or happen to use the same social network. Through social networks, location aware blogging, cultural mobile applications relevant information is now available at specific geographical locations and open to feedback and conversations among friends as well as strangers. In fact, nowadays smartphone technologies aloud users to post and retrieve content while on the move, often relating to specific physical landmarks or locations, engaging and being engaged in conversations with strangers as much as their own social network. The use of such technologies and applications while on the move can often lead people to serendipitous discoveries and interactions. Throughout our thesis we are engaging on a two folded investigation: how can we foster and support serendipitous discoveries and what are the best interfaces for it? In fact, to read and write content while on the move is a cognitively intensive task. While the map serves the function of orienting the user, it also absorbs most of the user’s concentration. In order to address this kind of cognitive overload issue with Breadcrumbs we propose a 360 degrees interface that enables the user to find content around them by means of scanning the surrounding space with the mobile device. By using a loose metaphor of a periscope, harnessing the power of the smartphone sensors we designed an interactive interface capable of detecting content around the users and display it in the form of 2 dimensional bubbles which diameter depends on their distance from the users. Users will navigate the space in relation to the content that they are curious about, rather than in relation to the traditional geographical map. Through this model we envisage alleviating a certain cognitive overload generated by having to continuously confront a two dimensional map with the real three dimensional space surrounding the user, but also use the content as a navigational filter. Furthermore this alternative mean of navigating space might bring serendipitous discovery about places that user where not aware of or intending to reach. We hence conclude our thesis with the evaluation of the Breadcrumbs application and the comparison of the 360 degrees interface with a traditional 2 dimensional map displayed on the devise screen. Results from the evaluation are compiled in findings and insights for future use in designing and developing context aware mobile applications.