A Time-based Passive Source Localization System for Narrow-band Signal

Time-based indoor localization has been investigated for several years but the accuracy of existing solutions is limited by several factors, e.g., imperfect synchronization, signal bandwidth and indoor environment. In this paper, we compare two time-based localization algorithms for narrow-band signals, i.e., multilateration and fingerprinting. First, we develop a new Linear Least Square (LLS) algorithm for Differential Time Difference Of Arrival (DTDOA). Second, fingerprinting is among the most successful approaches used for indoor localization and typically relies on the collection of measurements on signal strength over the area of interest. We propose an alternative by constructing fingerprints of fine-grained time information of the radio signal. We offer comprehensive analytical discussions on the feasibility of the approaches, which are backed up by evaluations in a software defined radio based IEEE 802.15.4 testbed. Our work contributes to research on localization with narrow-band signals. The results show that our proposed DTDOA-based LLS algorithm obviously improves the localization accuracy compared to traditional TDOA-based LLS algorithm but the accuracy is still limited because of the complex indoor environment. Furthermore, we show that time-based fingerprinting is a promising alternative to power-based fingerprinting.

Range-based Weighted-likelihood Particle Filter for RSS-based Indoor Tracking

Attractive business cases in various application fields contribute to the sustained long-term interest in indoor localization and tracking by the research community. Location tracking is generally treated as a dynamic state estimation problem, consisting of two steps: (i) location estimation through measurement, and (ii) location prediction. For the estimation step, one of the most efficient and low-cost solutions is Received Signal Strength (RSS)-based ranging. However, various challenges - unrealistic propagation model, non-line of sight (NLOS), and multipath propagation - are yet to be addressed. Particle filters are a popular choice for dealing with the inherent non-linearities in both location measurements and motion dynamics. While such filters have been successfully applied to accurate, time-based ranging measurements, dealing with the more error-prone RSS based ranging is still challenging. In this work, we address the above issues with a novel, weighted likelihood, bootstrap particle filter for tracking via RSS-based ranging. Our filter weights the individual likelihoods from different anchor nodes exponentially, according to the ranging estimation. We also employ an improved propagation model for more accurate RSS-based ranging, which we suggested in recent work. We implemented and tested our algorithm in a passive localization system with IEEE 802.15.4 signals, showing that our proposed solution largely outperforms a traditional bootstrap particle filter.

Exploiting Structured Linked Data in Enterprise Knowledge Management Systems: An Idea Management Case Study

In parallel to the effort of creating Open Linked Data for the World Wide Web there is a number of projects aimed for developing the same technologies but in the context of their usage in closed environments such as private enterprises. In the paper, we present results of research on interlinking structured data for use in Idea Management Systems - a still rare breed of knowledge management systems dedicated to innovation management. In our study, we show the process of extending an ontology that initially covers only the Idea Management System structure towards the concept of linking with distributed enterprise data and public data using Semantic Web technologies. Furthermore we point out how the established links can help to solve the key problems of contemporary Idea Management Systems

WiMAX,Technology and Market.

Wireless communication is the transfer of information from one place to another without using wires. From the earliest times, humans have felt the need to develop techniques of remote communication. From this need arose the smoke signals, communication by sun reflection in mirrors and so on. But today the telecommunications electronic devices such as telephone, television, radio or computer. Radio and television are used for one-way communication. Telephone and computer are used for two-way communication. In wireless networks there is almost unlimited mobility, we can access the network almost anywhere or anytime. In wired networks we have the restriction of using the services in fixed area services. The demand of the wireless is increasing very fast; everybody wants broadband services anywhere anytime. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) is a broadband wireless technology based on IEEE 802.16-2004 and IEEE 802.16e-2005 that appears to solve this demand. WIMAX is a system that allows wireless data transmission in areas of up to 48 km of radius. It is designed as a wireless alternative to ADSL and a way to connect nodes in wireless metropolitan areas network. Unlike wireless systems that are limited in most cases, about 100 meter, providing greater coverage and more bandwidth. WIMAX promises to achieve high data transmission rates over large areas with a great amount of users. This alternative to the networks of broadband access common as DSL o Wi-Fi, can give broadband access to places quickly to rural areas and developing areas around the world. This paper is a study of WIMAX technology and market situation. First, the paper is responsible for explaining the technical aspects of WIMAX. For this gives an overview of WIMAX standards, physical layer, MAC layer and WiMAX, Technology and Market Beijing University of Post and Telecommunications 2 WIMAX network architecture. Second, the paper address the issue of market in which provides an overview of development and deployment of WIMAX to end the future development trend of WIMAX is addressed. RESUMEN: Por comunicaciones inalámbricas se entiende la transferencia de información desde un lugar a otro sin la necesidad de un soporte físico como es por ejemplo el cable. Por lo que remontándose a los principios de la existencia del ser humano, nos damos cuenta de que el ser humano siempre ha sentido la necesidad de desarrollar técnicas para lograr comunicarse a distancia con sus semejantes. De dicha necesidad, surgieron técnicas tan ancestrales como puede ser la comunicación mediante señales de humo o por reflexión de los rayos solares en espejos entre otras. La curiosidad del ser humano y la necesidad de comunicarse a distancia fue la que llevó a Alexander Graham Bell a inventar el teléfono en 1876. La aparición de un dispositivo que permitía comunicarse a distancia permitiendo escuchar la voz de aquella persona con la que se quería hablar, supuso una revolución no solo en el panorama tecnológico, si no también en el panorama social. Pues a parte de permitir comunicaciones a larga distancia, solventó el problema de la comunicación en “tiempo real”. A raíz de este invento, la tecnología en materia de comunicación ha ido avanzando significativamente, más concretamente en lo referido a las comunicaciones inalámbricas. En 1973 se realizó la primera llamada desde un terminal móvil aunque no fue hasta 1983 cuando se empezó a comercializar dicho terminal, lo que supuso un cambio de hábitos y costumbres para la sociedad. Desde la aparición del primer móvil el crecimiento del mercado ha sido exponencial, lo que ha repercutido en una demanda impensable de nuevas aplicaciones integradas en dichos dispositivos móviles que satisfagan las necesidades que día a día autogenera la sociedad. Tras conseguir realizar llamadas a larga distancia de forma inalámbrica, el siguiente paso fue la creación de los SMS (Short Message System) lo que supuso una nueva revolución además de abaratar costes al usuario a la hora de comunicarse. Pero el gran reto para la industria de las comunicaciones móviles surgió con la aparición de internet. Todo el mundo sentía la necesidad de poder conectarse a esa gran base de datos que es internet en cualquier parte y en cualquier momento. Las primeras conexiones a internet desde dispositivos móviles se realizaron a través de la tecnología WAP (Wireless Application Protocol) hasta la aparición de la tecnología GPRS que permitía la conexión mediante protocolo TCP/IP. A partir de estas conexiones han surgido otras tecnologías, como EDGE, HSDPA, etc., que permitían y permiten la conexión a internet desde dispositivos móviles. Hoy en día la demanda de servicios de red inalámbrica crece de forma rápida y exponencial, todo el mundo quiere servicios de banda ancha en cualquier lugar y en cualquier momento. En este documento se analiza la tecnología WiMAX ( Worldwide Interoperability for Microwave Access) que es una tecnología de banda ancha basada en el estándar IEEE 802.16 creada para brindar servicios a la demanda emergente en la banda ancha desde un punto de vista tecnológico, donde se da una visión de la parte técnica de la tecnología; y desde el punto de vista del mercado, donde se analiza el despliegue y desarrollo de la tecnología desde el punto de vista de negocio. WiMAX es una tecnología que permite la transmisión inalámbrica de datos en áreas de hasta 48Km de radio y que está diseñada como alternativa inalámbrica para ADSL y para conectar nodos de red inalámbrica en áreas metropolitanas. A diferencia de los sistemas inalámbricos existentes que están limitados en su mayoría a unos cientos de metros, WiMAX ofrece una mayor cobertura y un mayor ancho de banda que permita dar soporte a nuevas aplicaciones, además de alcanzar altas tasas de transmisión de datos en grandes áreas con una gran cantidad de usuarios. Se trata de una alternativa a las redes de acceso de banda ancha como DSL o Wi-Fi, que puede dar acceso de banda ancha a lugares tales como zonas rurales o zonas en vías de desarrollo por todo el mundo con rapidez. Existen dos tecnologías de WiMAX, WiMAX fijo (basado en el estándar IEEE 802.16d-2004) y WiMAX móvil (basado en el estándar IEEE 802.16e-2005). La tecnología fija está diseñada para comunicaciones punto a multipunto, mientras que la fija lo está para comunicaciones multipunto a multipunto. WiMAX móvil se basa en la tecnología OFDM que ofrece ventajas en términos de latencia, eficiencia en el uso del espectro y soporte avanzado para antenas. La modulación OFDM es muy robusta frente al multitrayecto, que es muy habitual en los canales de radiodifusión, frente al desvanecimiento debido a las condiciones meteorológicas y frente a las interferencias de RF. Una vez creada la tecnología WiMAX, poseedora de las características idóneas para solventar la demanda del mercado, ha de darse el siguiente paso, hay que convencer a la industria de las telecomunicaciones de que dicha tecnología realmente es la solución para que apoyen su implantación en el mercado de la banda ancha para las redes inalámbricas. Es aquí donde entra en juego el estudio del mercado que se realiza en este documento. WiMAX se enfrenta a un mercado exigente en el que a parte de tener que dar soporte a la demanda técnica, ha de ofrecer una rentabilidad económica a la industria de las comunicaciones móviles y más concretamente a las operadoras móviles que son quienes dentro del sector de las telecomunicaciones finalmente han de confiar en la tecnología para dar soporte a sus usuarios ya que estos al fin y al cabo lo único que quieren es que su dispositivo móvil satisfaga sus necesidades independientemente de la tecnología que utilicen para tener acceso a la red inalámbrica de banda ancha. Quizás el mayor problema al que se ha enfrentado WiMAX haya sido la situación económica en la que se encuentra el mundo. WiMAX a comenzado su andadura en uno de los peores momentos, pero aun así se presenta como una tecnología capaz de ayudar al mundo a salir hacia delante en estos tiempos tan duros. Finalmente se analiza uno de los debates existentes hoy en día en el sector de las comunicaciones móviles, WiMAX vs. LTE. Como se puede observar en el documento realmente una tecnología no saldrá victoriosa frente a la otra, si no que ambas tecnologías podrán coexistir y trabajar de forma conjunta.

Estudio e implementación de protocolos de enrutamiento de redes malladas inalámbricas en entornos rurales

Este proyecto surge de la problemática de llevar las tecnologías de la información a las zonas más alejadas e inaccesibles, donde generalmente se dan los mayores índices de pobreza. Para ello se propone el estudio de la viabilidad de las redes malladas inalámbricas aplicadas en entornos rurales. Las redes malladas tienen una filosofía distribuida que permite mayores coberturas con un menor presupuesto, además de ofrecer una mayor seguridad en caso de catástrofes y una gran independencia de las grandes redes de los proveedores de Internet. Esto hace que puedan ser una interesante alternativa a las redes de comunicación inalámbrica convencionales. En primer lugar se intenta analizar cu ́les son los protocolos de encaminamiento más adecuados para redes malladas en este tipo de escenarios rurales, donde el medio inalámbrico es adverso e inestable y la logística es más complicada. En concreto, se ha desplegado para su posterior estudio, una red experimental rural en un entorno altoandino. En dicha red se comparan dos soluciones de encaminamiento de código abierto, Batman-adv y IEEE 802.11s. Adicionalmente, el proyecto intentar difundir la tecnología y transferir los conocimientos aprendidos a través de diversos talleres de capacitación,artículo técnico sobre la comparación de las prestaciones Batman-adv y IEEE 802.11s, y la creación de un proyecto de red comunitaria libre llamado MESH-RURAL, el cual facilitar ́ la implementación de redes malladas inalámbricas con estas dos soluciones de encaminamiento.

Design and Validation of an Optimized MB-OFDM Ultra Wideband Transceiver System

Esta tesis está incluida dentro del campo del campo de Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ultra Wideband (MB-OFDM UWB), el cual ha adquirido una gran importancia en las comunicaciones inalámbricas de alta tasa de datos en la última década. UWB surgió con el objetivo de satisfacer la creciente demanda de conexiones inalámbricas en interiores y de uso doméstico, con bajo coste y alta velocidad. La disponibilidad de un ancho de banda grande, el potencial para alta velocidad de transmisión, baja complejidad y bajo consumo de energía, unido al bajo coste de implementación, representa una oportunidad única para que UWB se convierta en una solución ampliamente utilizada en aplicaciones de Wireless Personal Area Network (WPAN). UWB está definido como cualquier transmisión que ocupa un ancho de banda de más de 20% de su frecuencia central, o más de 500 MHz. En 2002, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) definió que el rango de frecuencias de transmisión de UWB legal es de 3.1 a 10.6 GHz, con una energía de transmisión de -41.3 dBm/Hz. Bajo las directrices de FCC, el uso de la tecnología UWB puede aportar una enorme capacidad en las comunicaciones de corto alcance. Considerando las ecuaciones de capacidad de Shannon, incrementar la capacidad del canal requiere un incremento lineal en el ancho de banda, mientras que un aumento similar de la capacidad de canal requiere un aumento exponencial en la energía de transmisión. En los últimos años, s diferentes desarrollos del UWB han sido extensamente estudiados en diferentes áreas, entre los cuales, el protocolo de comunicaciones inalámbricas MB-OFDM UWB está considerado como la mejor elección y ha sido adoptado como estándar ISO/IEC para los WPANs. Combinando la modulación OFDM y la transmisión de datos utilizando las técnicas de salto de frecuencia, el sistema MB-OFDM UWB es capaz de soportar tasas de datos con que pueden variar de los 55 a los 480 Mbps, alcanzando una distancia máxima de hasta 10 metros. Se esperara que la tecnología MB-OFDM tenga un consumo energético muy bajo copando un are muy reducida en silicio, proporcionando soluciones de bajo coste que satisfagan las demandas del mercado. Para cumplir con todas estas expectativas, el desarrollo y la investigación del MBOFDM UWB deben enfrentarse a varios retos, como son la sincronización de alta sensibilidad, las restricciones de baja complejidad, las estrictas limitaciones energéticas, la escalabilidad y la flexibilidad. Tales retos requieren un procesamiento digital de la señal de última generación, capaz de desarrollar sistemas que puedan aprovechar por completo las ventajas del espectro UWB y proporcionar futuras aplicaciones inalámbricas en interiores. Esta tesis se centra en la completa optimización de un sistema de transceptor de banda base MB-OFDM UWB digital, cuyo objetivo es investigar y diseñar un subsistema de comunicación inalámbrica para la aplicación de las Redes de Sensores Inalámbricas Visuales. La complejidad inherente de los procesadores FFT/IFFT y el sistema de sincronización así como la alta frecuencia de operación para todos los elementos de procesamiento, se convierten en el cuello de la botella para el diseño y la implementación del sistema de UWB digital en base de banda basado en MB-OFDM de baja energía. El objetivo del transceptor propuesto es conseguir baja energía y baja complejidad bajo la premisa de un alto rendimiento. Las optimizaciones están realizadas tanto a nivel algorítmico como a nivel arquitectural para todos los elementos del sistema. Una arquitectura hardware eficiente en consumo se propone en primer lugar para aquellos módulos correspondientes a núcleos de computación. Para el procesado de la Transformada Rápida de Fourier (FFT/IFFT), se propone un algoritmo mixed-radix, basado en una arquitectura con pipeline y se ha desarrollado un módulo de Decodificador de Viterbi (VD) equilibrado en coste-velocidad con el objetivo de reducir el consumo energético e incrementar la velocidad de procesamiento. También se ha implementado un correlador signo-bit simple basado en la sincronización del tiempo de símbolo es presentado. Este correlador es usado para detectar y sincronizar los paquetes de OFDM de forma robusta y precisa. Para el desarrollo de los subsitemas de procesamiento y realizar la integración del sistema completo se han empleado tecnologías de última generación. El dispositivo utilizado para el sistema propuesto es una FPGA Virtex 5 XC5VLX110T del fabricante Xilinx. La validación el propuesta para el sistema transceptor se ha implementado en dicha placa de FPGA. En este trabajo se presenta un algoritmo, y una arquitectura, diseñado con filosofía de co-diseño hardware/software para el desarrollo de sistemas de FPGA complejos. El objetivo principal de la estrategia propuesta es de encontrar una metodología eficiente para el diseño de un sistema de FPGA configurable optimizado con el empleo del mínimo esfuerzo posible en el sistema de procedimiento de verificación, por tanto acelerar el periodo de desarrollo del sistema. La metodología de co-diseño presentada tiene la ventaja de ser fácil de usar, contiene todos los pasos desde la propuesta del algoritmo hasta la verificación del hardware, y puede ser ampliamente extendida para casi todos los tipos de desarrollos de FPGAs. En este trabajo se ha desarrollado sólo el sistema de transceptor digital de banda base por lo que la comprobación de señales transmitidas a través del canal inalámbrico en los entornos reales de comunicación sigue requiriendo componentes RF y un front-end analógico. No obstante, utilizando la metodología de co-simulación hardware/software citada anteriormente, es posible comunicar el sistema de transmisor y el receptor digital utilizando los modelos de canales propuestos por IEEE 802.15.3a, implementados en MATLAB. Por tanto, simplemente ajustando las características de cada modelo de canal, por ejemplo, un incremento del retraso y de la frecuencia central, podemos estimar el comportamiento del sistema propuesto en diferentes escenarios y entornos. Las mayores contribuciones de esta tesis son: • Se ha propuesto un nuevo algoritmo 128-puntos base mixto FFT usando la arquitectura pipeline multi-ruta. Los complejos multiplicadores para cada etapa de procesamiento son diseñados usando la arquitectura modificada shiftadd. Los sistemas word length y twiddle word length son comparados y seleccionados basándose en la señal para cuantización del SQNR y el análisis de energías. • El desempeño del procesador IFFT es analizado bajo diferentes situaciones aritméticas de bloques de punto flotante (BFP) para el control de desbordamiento, por tanto, para encontrar la arquitectura perfecta del algoritmo IFFT basado en el procesador FFT propuesto. • Para el sistema de receptor MB-OFDM UWB se ha empleado una sincronización del tiempo innovadora, de baja complejidad y esquema de compensación, que consiste en funciones de Detector de Paquetes (PD) y Estimación del Offset del tiempo. Simplificando el cross-correlation y maximizar las funciones probables solo a sign-bit, la complejidad computacional se ve reducida significativamente. • Se ha propuesto un sistema de decodificadores Viterbi de 64 estados de decisión-débil usando velocidad base-4 de arquitectura suma-comparaselecciona. El algoritmo Two-pointer Even también es introducido en la unidad de rastreador de origen con el objetivo de conseguir la eficiencia en el hardware. • Se han integrado varias tecnologías de última generación en el completo sistema transceptor basebanda , con el objetivo de implementar un sistema de comunicación UWB altamente optimizado. • Un diseño de flujo mejorado es propuesto para el complejo sistema de implementación, el cual puede ser usado para diseños de Cadena de puertas de campo programable general (FPGA). El diseño mencionado no sólo reduce dramáticamente el tiempo para la verificación funcional, sino también provee un análisis automático como los errores del retraso del output para el sistema de hardware implementado. • Un ambiente de comunicación virtual es establecido para la validación del propuesto sistema de transceptores MB-OFDM. Este método es provisto para facilitar el uso y la conveniencia de analizar el sistema digital de basebanda sin parte frontera analógica bajo diferentes ambientes de comunicación. Esta tesis doctoral está organizada en seis capítulos. En el primer capítulo se encuentra una breve introducción al campo del UWB, tanto relacionado con el proyecto como la motivación del desarrollo del sistema de MB-OFDM. En el capítulo 2, se presenta la información general y los requisitos del protocolo de comunicación inalámbrica MBOFDM UWB. En el capítulo 3 se habla de la arquitectura del sistema de transceptor digital MB-OFDM de banda base . El diseño del algoritmo propuesto y la arquitectura para cada elemento del procesamiento está detallado en este capítulo. Los retos de diseño del sistema que involucra un compromiso de discusión entre la complejidad de diseño, el consumo de energía, el coste de hardware, el desempeño del sistema, y otros aspectos. En el capítulo 4, se ha descrito la co-diseñada metodología de hardware/software. Cada parte del flujo del diseño será detallado con algunos ejemplos que se ha hecho durante el desarrollo del sistema. Aprovechando esta estrategia de diseño, el procedimiento de comunicación virtual es llevado a cabo para probar y analizar la arquitectura del transceptor propuesto. Los resultados experimentales de la co-simulación y el informe sintético de la implementación del sistema FPGA son reflejados en el capítulo 5. Finalmente, en el capítulo 6 se incluye las conclusiones y los futuros proyectos, y también los resultados derivados de este proyecto de doctorado. ABSTRACT In recent years, the Wireless Visual Sensor Network (WVSN) has drawn great interest in wireless communication research area. They enable a wealth of new applications such as building security control, image sensing, and target localization. However, nowadays wireless communication protocols (ZigBee, Wi-Fi, and Bluetooth for example) cannot fully satisfy the demands of high data rate, low power consumption, short range, and high robustness requirements. New communication protocol is highly desired for such kind of applications. The Ultra Wideband (UWB) wireless communication protocol, which has increased in importance for high data rate wireless communication field, are emerging as an important topic for WVSN research. UWB has emerged as a technology that offers great promise to satisfy the growing demand for low-cost, high-speed digital wireless indoor and home networks. The large bandwidth available, the potential for high data rate transmission, and the potential for low complexity and low power consumption, along with low implementation cost, all present a unique opportunity for UWB to become a widely adopted radio solution for future Wireless Personal Area Network (WPAN) applications. UWB is defined as any transmission that occupies a bandwidth of more than 20% of its center frequency, or more than 500 MHz. In 2002, the Federal Communications Commission (FCC) has mandated that UWB radio transmission can legally operate in the range from 3.1 to 10.6 GHz at a transmitter power of －41.3 dBm/Hz. Under the FCC guidelines, the use of UWB technology can provide enormous capacity over short communication ranges. Considering Shannon’s capacity equations, increasing the channel capacity requires linear increasing in bandwidth, whereas similar channel capacity increases would require exponential increases in transmission power. In recent years, several different UWB developments has been widely studied in different area, among which, the MB-OFDM UWB wireless communication protocol is considered to be the leading choice and has recently been adopted in the ISO/IEC standard for WPANs. By combing the OFDM modulation and data transmission using frequency hopping techniques, the MB-OFDM UWB system is able to support various data rates, ranging from 55 to 480 Mbps, over distances up to 10 meters. The MB-OFDM technology is expected to consume very little power and silicon area, as well as provide low-cost solutions that can satisfy consumer market demands. To fulfill these expectations, MB-OFDM UWB research and development have to cope with several challenges, which consist of high-sensitivity synchronization, low- complexity constraints, strict power limitations, scalability, and flexibility. Such challenges require state-of-the-art digital signal processing expertise to develop systems that could fully take advantages of the UWB spectrum and support future indoor wireless applications. This thesis focuses on fully optimization for the MB-OFDM UWB digital baseband transceiver system, aiming at researching and designing a wireless communication subsystem for the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) application. The inherent high complexity of the FFT/IFFT processor and synchronization system, and high operation frequency for all processing elements, becomes the bottleneck for low power MB-OFDM based UWB digital baseband system hardware design and implementation. The proposed transceiver system targets low power and low complexity under the premise of high performance. Optimizations are made at both algorithm and architecture level for each element of the transceiver system. The low-power hardwareefficient structures are firstly proposed for those core computation modules, i.e., the mixed-radix algorithm based pipelined architecture is proposed for the Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) processor, and the cost-speed balanced Viterbi Decoder (VD) module is developed, in the aim of lowering the power consumption and increasing the processing speed. In addition, a low complexity sign-bit correlation based symbol timing synchronization scheme is presented so as to detect and synchronize the OFDM packets robustly and accurately. Moreover, several state-of-the-art technologies are used for developing other processing subsystems and an entire MB-OFDM digital baseband transceiver system is integrated. The target device for the proposed transceiver system is Xilinx Virtex 5 XC5VLX110T FPGA board. In order to validate the proposed transceiver system in the FPGA board, a unified algorithm-architecture-circuit hardware/software co-design environment for complex FPGA system development is presented in this work. The main objective of the proposed strategy is to find an efficient methodology for designing a configurable optimized FPGA system by using as few efforts as possible in system verification procedure, so as to speed up the system development period. The presented co-design methodology has the advantages of easy to use, covering all steps from algorithm proposal to hardware verification, and widely spread for almost all kinds of FPGA developments. Because only the digital baseband transceiver system is developed in this thesis, the validation of transmitting signals through wireless channel in real communication environments still requires the analog front-end and RF components. However, by using the aforementioned hardware/software co-simulation methodology, the transmitter and receiver digital baseband systems get the opportunity to communicate with each other through the channel models, which are proposed from the IEEE 802.15.3a research group, established in MATLAB. Thus, by simply adjust the characteristics of each channel model, e.g. mean excess delay and center frequency, we can estimate the transmission performance of the proposed transceiver system through different communication situations. The main contributions of this thesis are: • A novel mixed radix 128-point FFT algorithm by using multipath pipelined architecture is proposed. The complex multipliers for each processing stage are designed by using modified shift-add architectures. The system wordlength and twiddle word-length are compared and selected based on Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR) and power analysis. • IFFT processor performance is analyzed under different Block Floating Point (BFP) arithmetic situations for overflow control, so as to find out the perfect architecture of IFFT algorithm based on the proposed FFT processor. • An innovative low complex timing synchronization and compensation scheme, which consists of Packet Detector (PD) and Timing Offset Estimation (TOE) functions, for MB-OFDM UWB receiver system is employed. By simplifying the cross-correlation and maximum likelihood functions to signbit only, the computational complexity is significantly reduced. • A 64 state soft-decision Viterbi Decoder system by using high speed radix-4 Add-Compare-Select architecture is proposed. Two-pointer Even algorithm is also introduced into the Trace Back unit in the aim of hardware-efficiency. • Several state-of-the-art technologies are integrated into the complete baseband transceiver system, in the aim of implementing a highly-optimized UWB communication system. • An improved design flow is proposed for complex system implementation which can be used for general Field-Programmable Gate Array (FPGA) designs. The design method not only dramatically reduces the time for functional verification, but also provides automatic analysis such as errors and output delays for the implemented hardware systems. • A virtual communication environment is established for validating the proposed MB-OFDM transceiver system. This methodology is proved to be easy for usage and convenient for analyzing the digital baseband system without analog frontend under different communication environments. This PhD thesis is organized in six chapters. In the chapter 1 a brief introduction to the UWB field, as well as the related work, is done, along with the motivation of MBOFDM system development. In the chapter 2, the general information and requirement of MB-OFDM UWB wireless communication protocol is presented. In the chapter 3, the architecture of the MB-OFDM digital baseband transceiver system is presented. The design of the proposed algorithm and architecture for each processing element is detailed in this chapter. Design challenges of such system involve trade-off discussions among design complexity, power consumption, hardware cost, system performance, and some other aspects. All these factors are analyzed and discussed. In the chapter 4, the hardware/software co-design methodology is proposed. Each step of this design flow will be detailed by taking some examples that we met during system development. Then, taking advantages of this design strategy, the Virtual Communication procedure is carried out so as to test and analyze the proposed transceiver architecture. Experimental results from the co-simulation and synthesis report of the implemented FPGA system are given in the chapter 5. The chapter 6 includes conclusions and future work, as well as the results derived from this PhD work.

Análisis e implementación de estrategias de rutado dinámico basado en CTP para redes de sensores inalámbricas multi-salto

Una red de sensores inalámbrica es un conjunto de dispositivos electrónicos que se comunican entre sí sin la necesidad de una infraestructura, recogiendo información del entorno en el que han sido desplegados, procesándola y transmitiéndola hasta una estación base mediante saltos sucesivos entre los nodos de la red (multi-salto). Durante las dos últimas décadas, este campo ha sido muy desarrollado en la comunidad científica, debido a las ventajas que ofrece el despliegue de una red inalámbrica en un entorno con el fin de estudiarlo y/o controlarlo. La ausencia de una infraestructura, junto con el reducido tamaño de los nodos, permite este estudio sin que dicho entorno se vea significativamente afectado por factores externos como pueda ser la presencia humana, permitiendo además aumentar el número de nodos que componen la red o cambiar la posición de algunos de ellos sin que sea necesario reconfigurarla manualmente. El principal reto que presentan las redes de sensores inalámbricas es su autonomía. En general, se requiere que un nodo tenga la capacidad de funcionar durante largos períodos de tiempo (varios meses o incluso un año) antes de que su batería se agote. Esto hace de la gestión del consumo energético un aspecto crítico en el diseño de la red y sus nodos. En el presente trabajo se busca optimizar este consumo mediante la gestión del proceso de comunicación y enrutamiento de la red. Con este fin, se implementa el protocolo CTP (Collection Tree Protocol) en la plataforma Cookies desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial (CEI) de la UPM. CTP es un protocolo de rutado centrado en los datos, que utiliza una topología en árbol, con el nodo coordinador o estación base como raíz del mismo, para la transmisión de la información desde los sensores hasta la estación base. Además, no utiliza direcciones predeterminadas, dotando a la red de la flexibilidad requerida para hacer frente a inconsistencias y/o variaciones en la densidad y tamaño de la red. La ruta escogida se basa en un gradiente de rutado decreciente, ETX (Expected Transmission Count), que representa la calidad de la conexión entre un nodo y su nodo padre. Este gradiente de enrutamiento se obtiene mediante una conversión directa a partir del LQI (Link Quality Indication) definido por el estándar IEEE 802.15.4. Esta conversión directa supone una aproximación utilizando valores umbral del LQI. Un nodo escogerá el siguiente salto que realizará el paquete a enviar seleccionando de entre sus vecinos a aquél que tenga el menor ETX, evitando de esta forma la aparición de bucles. Otro de los aspectos que supone un gran consumo es el proceso de mantenimiento de la estructura de la red, pues requiere el envío periódico de señales de control o beacons a lo largo de toda la red. El protocolo CTP aprovecha el algoritmo de goteo (Trickle Algorithm), para gestionar el mantenimiento: durante la formación de la red y cuando se detecte alguna inconsistencia, se incrementa la frecuencia de emisión de los beacons, permitiendo así una rápida propagación de las señales de control para crear o reparar las conexiones entre los nodos. En cambio, cuando la topología de la red es estable, esta frecuencia de emisión se reduce significativamente, limitándose a asegurar que la topología se mantiene estable y favoreciendo así el ahorro de energía.

Developmental regulation of spine motility in the mammalian central nervous system

The function of dendritic spines, postsynaptic sites of excitatory input in the mammalian central nervous system (CNS), is still not well understood. Although changes in spine morphology may mediate synaptic plasticity, the extent of basal spine motility and its regulation and function remains controversial. We investigated spine motility in three principal neurons of the mouse CNS: cerebellar Purkinje cells, and cortical and hippocampal pyramidal neurons. Motility was assayed with time-lapse imaging by using two-photon microscopy of green fluorescent protein-labeled neurons in acute and cultured slices. In all three cell types, dendritic protrusions (filopodia and spines) were highly dynamic, exhibiting a diversity of morphological rearrangements over short (<1-min) time courses. The incidence of spine motility declined during postnatal maturation, but dynamic changes were still apparent in many spines in late-postnatal neurons. Although blockade or induction of neuronal activity did not affect spine motility, disruption of actin polymerization did. We hypothesize that this basal motility of dendritic protrusions is intrinsic to the neuron and underlies the heightened plasticity found in developing CNS.

Multiple domains of repressor activator protein 1 contribute to facilitated binding of glycolysis regulatory protein 1

The function of repressor activator protein 1 (Rap1p) at glycolytic enzyme gene upstream activating sequence (UAS) elements in Saccharomyces cerevisiae is to facilitate binding of glycolysis regulatory protein 1 (Gcr1p) at adjacent sites. Rap1p has a modular domain structure. In its amino terminus there is an asymmetric DNA-bending domain, which is distinct from its DNA-binding domain, which resides in the middle of the protein. In the carboxyl terminus of Rap1p lie its silencing and putative activation domains. We carried out a molecular dissection of Rap1p to identify domains contributing to its ability to facilitate binding of Gcr1p. We prepared full-length and three truncated versions of Rap1p and tested their ability to facilitate binding of Gcr1p by gel shift assay. The ability to detect ternary complexes containing Rap1p⋅DNA⋅Gcr1p depended on the presence of binding sites for both proteins in the probe DNA. The DNA-binding domain of Rap1p, although competent to bind DNA, was unable to facilitate binding of Gcr1p. Full-length Rap1p and the amino- and carboxyl-truncated versions of Rap1p were each able to facilitate binding of Gcr1p at an appropriately spaced binding site. Under these conditions, Gcr1p displayed an approximately 4-fold greater affinity for Rap1p-bound DNA than for otherwise identical free DNA. When spacing between Rap1p- and Gcr1p-binding sites was altered by insertion of five nucleotides, the ability to form ternary Rap1p⋅DNA⋅Gcr1p complexes was inhibited by all but the DNA-binding domain of Rap1p itself; however, the ability of each individual protein to bind the DNA probe was unaffected.

Large-scale protein structure modeling of the Saccharomyces cerevisiae genome

The function of a protein generally is determined by its three-dimensional (3D) structure. Thus, it would be useful to know the 3D structure of the thousands of protein sequences that are emerging from the many genome projects. To this end, fold assignment, comparative protein structure modeling, and model evaluation were automated completely. As an illustration, the method was applied to the proteins in the Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) genome. It resulted in all-atom 3D models for substantial segments of 1,071 (17%) of the yeast proteins, only 40 of which have had their 3D structure determined experimentally. Of the 1,071 modeled yeast proteins, 236 were related clearly to a protein of known structure for the first time; 41 of these previously have not been characterized at all.

Multi-robot control in highly dynamic, competitive environments

The control and coordination of multiple mobile robots is a challenging task; particularly in environments with multiple, rapidly moving obstacles and agents. This paper describes a robust approach to multi-robot control, where robustness is gained from competency at every layer of robot control. The layers are: (i) a central coordination system (MAPS), (ii) an action system (AES), (iii) a navigation module, and (iv) a low level dynamic motion control system. The multi-robot coordination system assigns each robot a role and a sub-goal. Each robot’s action execution system then assumes the assigned role and attempts to achieve the specified sub-goal. The robot’s navigation system directs the robot to specific goal locations while ensuring that the robot avoids any obstacles. The motion system maps the heading and speed information from the navigation system to force-constrained motion. This multi-robot system has been extensively tested and applied in the robot soccer domain using both centralized and distributed coordination.

Implementing an adaptive sending rate by exploiting SNR in relation to throughput over Wireless Mesh Networks

Wireless Mesh Networks (WMNs) have emerged as a key technology for the next generation of wireless networking. Instead ofbeing another type of ad-hoc networking, WMNs diversify the capabilities of ad-hoc networks. There are many kinds of protocols that work over WMNs, such as IEEE 802.11a/b/g, 802.15 and 802.16. To bring about a high throughput under varying conditions, these protocols have to adapt their transmission rate. While transmission rate is a significant part, only a few algorithms such as Auto Rate Fallback (ARF) or Receiver Based Auto Rate (RBAR) have been published. In this paper we will show MAC, packet loss and physical layer conditions play important role for having good channel condition. Also we perform rate adaption along with multiple packet transmission for better throughput. By allowing for dynamically monitored, multiple packet transmission and adaptation to changes in channel quality by adjusting the packet transmission rates according to certain optimization criteria improvements in performance can be obtained. The proposed method is the detection of channel congestion by measuring the fluctuation of signal to the standard deviation of and the detection of packet loss before channel performance diminishes. We will show that the use of such techniques in WMN can significantly improve performance. The effectiveness of the proposed method is presented in an experimental wireless network testbed via packet-level simulation. Our simulation results show that regardless of the channel condition we were to improve the performance in the throughput.

Efficiency improvements to the Groupe Special Mobile (GSM) digital mobile radio system

Groupe Spécial Mobile (GSM) has been developed as the pan-European second generation of digital mobile systems. GSM operates in the 900 MHz frequency band and employs digital technology instead of the analogue technology of its predecessors. Digital technology enables the GSM system to operate in much smaller zones in comparison with the analogue systems. The GSM system will offer greater roaming facilities to its subscribers, extended throughout the countries that have installed the system. The GSM system could be seen as a further enhancement to European integration. GSM has adopted a contention-based protocol for multipoint-to-point transmission. In particular, the slotted-ALOHA medium access protocol is used to coordinate the transmission of the channel request messages between the scattered mobile stations. Collision still happens when more than one mobile station having the same random reference number attempts to transmit on the same time-slot. In this research, a modified version of this protocol has been developed in order to reduce the number of collisions and hence increase the random access channel throughput compared to the existing protocol. The performance evaluation of the protocol has been carried out using simulation methods. Due to the growing demand for mobile radio telephony as well as for data services, optimal usage of the scarce availability radio spectrum is becoming increasingly important. In this research, a protocol has been developed whereby the number of transmitted information packets over the GSM system is increased without any additional increase of the allocated radio spectrum. Simulation results are presented to show the improvements achieved by the proposed protocol. Cellular mobile radio networks commonly respond to an increase in the service demand by using smaller coverage areas. As a result, the volume of the signalling exchanges increases. In this research, a proposal for interconnecting the various entitles of the mobile radio network over the future broadband networks based on the IEEE 802.6 Metropolitan Area Network (MAN) is outlined. Simulation results are presented to show the benefits achieved by interconnecting these entities over the broadband Networks.

H264 data partitioned video streaming

Motivated by the increasing demand and challenges of video streaming in this thesis, we investigate methods by which the quality of the video can be improved. We utilise overlay networks that have been created by implemented relay nodes to produce path diversity, and show through analytical and simulation models for which environments path diversity can improve the packet loss probability. We take the simulation and analytical models further by implementing a real overlay network on top of Planetlab, and show that when the network conditions remain constant the video quality received by the client can be improved. In addition, we show that in the environments where path diversity improves the video quality forward error correction can be used to further enhance the quality. We then investigate the effect of IEEE 802.11e Wireless LAN standard with quality of service enabled on the video quality received by a wireless client. We find that assigning all the video to a single class outperforms a cross class assignment scheme proposed by other researchers. The issue of virtual contention at the access point is also examined. We increase the intelligence of our relay nodes and enable them to cache video, in order to maximise the usefulness of these caches. For this purpose, we introduce a measure, called the PSNR profit, and present an optimal caching method for achieving the maximum PSNR profit at the relay nodes where partitioned video contents are stored and provide an enhanced quality for the client. We also show that the optimised cache the degradation in the video quality received by the client becomes more graceful than the non-optimised system when the network experiences packet loss or is congested.

Adaptive sending rate over wireless mesh networks using SNR

Wireless Mesh Networks (WMNs) have emerged as a key technology for the next generation of wireless networking. Instead of being another type of ad-hoc networking, WMNs diversify the capabilities of ad-hoc networks. Several protocols that work over WMNs include IEEE 802.11a/b/g, 802.15, 802.16 and LTE-Advanced. To bring about a high throughput under varying conditions, these protocols have to adapt their transmission rate. In this paper, we have proposed a scheme to improve channel conditions by performing rate adaptation along with multiple packet transmission using packet loss and physical layer condition. Dynamic monitoring, multiple packet transmission and adaptation to changes in channel quality by adjusting the packet transmission rates according to certain optimization criteria provided greater throughput. The key feature of the proposed method is the combination of the following two factors: 1) detection of intrinsic channel conditions by measuring the fluctuation of noise to signal ratio via the standard deviation, and 2) the detection of packet loss induced through congestion. We have shown that the use of such techniques in a WMN can significantly improve performance in terms of the packet sending rate. The effectiveness of the proposed method was demonstrated in a simulated wireless network testbed via packet-level simulation.