Wireless Sensor Networks for Infrastructure Monitoring, TR-611, 2010

A good system of preventive bridge maintenance enhances the ability of engineers to manage and monitor bridge conditions, and take proper action at the right time. Traditionally infrastructure inspection is performed via infrequent periodical visual inspection in the field. Wireless sensor technology provides an alternative cost-effective approach for constant monitoring of infrastructures. Scientific data-acquisition systems make reliable structural measurements, even in inaccessible and harsh environments by using wireless sensors. With advances in sensor technology and availability of low cost integrated circuits, a wireless monitoring sensor network has been considered to be the new generation technology for structural health monitoring. The main goal of this project was to implement a wireless sensor network for monitoring the behavior and integrity of highway bridges. At the core of the system is a low-cost, low power wireless strain sensor node whose hardware design is optimized for structural monitoring applications. The key components of the systems are the control unit, sensors, software and communication capability. The extensive information developed for each of these areas has been used to design the system. The performance and reliability of the proposed wireless monitoring system is validated on a 34 feet span composite beam in slab bridge in Black Hawk County, Iowa. The micro strain data is successfully extracted from output-only response collected by the wireless monitoring system. The energy efficiency of the system was investigated to estimate the battery lifetime of the wireless sensor nodes. This report also documents system design, the method used for data acquisition, and system validation and field testing. Recommendations on further implementation of wireless sensor networks for long term monitoring are provided.

A Middleware architecture for Unmanned Aircraft Avionics

An Unmanned Aerial Vehicle is a non-piloted airplane designed to operate in dangerous and repetitive situations. With the advent of UAV's civil applications, UAVs are emerging as a valid option in commercial scenarios. If it must be economically viable, the same platform should implement avariety of missions with little reconguration time and overhead.This paper presents a middleware-based architecture specially suited to operate as a exible payload and mission controller in a UAV. The system is composed of low-costcomputing devices connected by network. The functionality is divided into reusable services distributed over a number ofnodes with a middleware managing their lifecycle and communication.Some research has been done in this area; yetit is mainly focused on the control domain and in its realtime operation. Our proposal differs in that we address the implementation of adaptable and reconfigurable unmannedmissions in low-cost and low-resources hardware.

Intrinsic subspace convergence in TDD MIMO communication

In numerical linear algebra, students encounter earlythe iterative power method, which finds eigenvectors of a matrixfrom an arbitrary starting point through repeated normalizationand multiplications by the matrix itself. In practice, more sophisticatedmethods are used nowadays, threatening to make the powermethod a historical and pedagogic footnote. However, in the contextof communication over a time-division duplex (TDD) multipleinputmultiple-output (MIMO) channel, the power method takes aspecial position. It can be viewed as an intrinsic part of the uplinkand downlink communication switching, enabling estimationof the eigenmodes of the channel without extra overhead. Generalizingthe method to vector subspaces, communication in thesubspaces with the best receive and transmit signal-to-noise ratio(SNR) is made possible. In exploring this intrinsic subspace convergence(ISC), we show that several published and new schemes canbe cast into a common framework where all members benefit fromthe ISC.

Wireless Application Test Bed and Simulations for Broadband Mobile Communications Systems

Langattoman laajakaistaisen tietoliikennetekniikan kehittyminen on herättänyt kiinnostuksen sen ammattimaiseen hyödyntämiseen yleisen turvallisuuden ja kriisinhallinnan tarpeisiin. Hätätilanteissa usein olemassa olevat kiinteät tietoliikennejärjestelmät eivät ole ollenkaan käytettävissä tai niiden tarjoama kapasiteetti ei ole riittävä. Tästä syystä on noussut esiin tarve nopeasti toimintakuntoon saatettaville ja itsenäisille langattomille laajakaistaisille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tarkoitus tutkia langattomia ad hoc monihyppy -verkkoja yleisen turvallisuuden tarpeiden pohjalta ja toteuttaa testialusta, jolla voidaan demonstroida sekä tutkia tällaisen järjestelmän toimintaa käytännössä. Työssä tutkitaan pisteestä pisteeseen sekä erityisesti pisteestä moneen pisteeseen suoritettavaa tietoliikennettä. Mittausten kohteena on testialustan tiedonsiirtonopeus, lähetysteho ja vastaanottimen herkkyys. Näitä tuloksia käytetään simulaattorin parametreina, jotta simulaattorin tulokset olisivat mahdollisimman aidot ja yhdenmukaiset testialustan kanssa. Sen jälkeen valitaan valikoima yleisen turvallisuuden vaatimusten mukaisia ohjelmia ja sovellusmalleja, joiden suorituskyky mitataan erilaisten reititysmenetelmien alaisena sekä testialustalla että simulaattorilla. Tuloksia arvioidaan ja vertaillaan. Multicast monihyppy -video päätettiin sovelluksista valita tutkimusten pääkohteeksi ja sitä sekä sen ominaisuuksia on tarkoitus myös oikeissa kenttäkokeissa.

Secure many-to-one communications in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are formed by nodes with limited computational and power resources. WSNs are finding an increasing number of applications, both civilian and military, most of which require security for the sensed data being collected by the base station from remote sensor nodes. In addition, when many sensor nodes transmit to the base station, the implosion problem arises. Providing security measures and implosion-resistance in a resource-limited environment is a real challenge. This article reviews the aggregation strategies proposed in the literature to handle the bandwidth and security problems related to many-to-one transmission in WSNs. Recent contributions to secure lossless many-to-one communication developed by the authors in the context of several Spanish-funded projects are surveyed. Ongoing work on the secure lossy many-to-one communication is also sketched.

Business potential evaluation of wireless local area networks: Teleoperator’s view

The objective of the thesis was to evaluate business potential of wireless local area networks (WLAN, Wireless LAN). At first, the scope of business potential evaluation of technology was introduced. Next, a general framework of business potential evaluation of technology based on literature was presented. In addition, convergence of cellular networks and data networks was studied in order to get an insight of current situation of mobile telecommunications industry. Finally, wireless local area networks business potential was evaluated. A wireless local area network is a data communication system, which combines data connectivity with mobility and is implemented in unlicensed frequency bands, allowing new business opportunities to emerge. The main markets of WLAN are corporate networks, public area networks and access networks. At the moment the penetration of WLAN terminals is low which derives to low demand of wireless LAN services. In addition, unlicensed spectrum forces the teleoperators to set the service price relatively low. The business potential is in integrating wireless LANs to cellular networks and in offering value added services to end users. The future of wireless LAN is to be complementary network to cellular networks. In this vision cellular networks provide voice and low data services and broadband wireless networks enable multimedia services.

Data communication in paper sales environment

Tämä diplomityö kirjoitettiin UPM- Kymmene konsernin UPM Net Services sa/nv osastolle Brysselissä ja Helsingissä. Työn aihe, Data communication in paper sales environment, määriteltiin käsittelemään paperin myyntijärjestelmään liittyviä aiheita. Nykyinen paperin myyntijärjestelmä on käsitelty ensin teoriassa ja aiheeseen kuuluvat ohjelmistotuotteet ja työkaluohjelmistot on esitelty. Parannuksia nykyiseen järjestelmään on pohdittu ohjelmistosuunnittelun, tehokkuuden, tiedon hallinnan, tietoturvallisuuden ja liiketoiminnan näkökulmista. Diplomityön käytännön osuudessa esitellään kaksi ohjelmistoa. Nämä ohjelmistot tehtiin UPM Net Services'lle, jotta saatiin kokemuksia viestin välitykseen perustuvasta tiedon siirrosta. Diplomityön johtopäätösosuudessa todetaan, että paperin myyntijärjestelmän tiedon siirto toimii luotettavasti nykyisessä järjestelmässä. Tulevaisuuden tarpeet ja parannukset ovat kuitenkin vaikeasti toteutettavissa nykyään käytettävin välinein. Erityisesti internetin hyödyntäminen nähdään tärkeänä, mutta se on vaikeasti otettavissa käyttöön nykyisessä järjestelmässä. Viestin välitykseen perustuvat järjestelmät ovat osoittautuneet käytännössä toimiviksi ja tärkein kehitysehdotus onkin viestin välitysjärjestelmän käyttöönotto.

Wireless E-Business Applications in ICT Industry

Sähköisen liiketoiminnan sovelluksia on voitu toistaiseksi käyttää useimmissa tapauksissa vain langallisen yhteyden kautta. Uudet langattomat teknologiat, jotka ovat kehittyneet nopeasti muutaman viimeisen vuoden aikana, mahdollistavat näiden sovellusten käytön ajasta ja paikasta riippumatta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia langattomien sähköisen liiketoiminnan sovellusten käyttöä ja hyötyjä tieto- ja viestintäteollisuudessa. Työssä keskitytään tutkimaan tätä tietotekniikan evoluutioaskelta yksittäisen yrityksen kannalta: rajoittuen omassa toiminnassa käytettäviin sovelluksiin. Tutkimus luo viitekehyksen mobiilisuuden evoluutioon, uuden tietotekniikan vaikutuksiin ja hyötyihin sekä tarkemmin langattomiin sähköisen liiketoiminnan sovelluksiin. Tätä viitekehystä käytetään analysoitaessa nykyistä käyttöä tutkimuksen kohteena olevissa yrityksissä. Tutkimuksen johtopäätökset niin nykyisestä käytöstä kuin myös tulevasta ovat syntyneet viitekehyksen, nykyisen käytön, sekä tehtyjen haastattelujen pohjalta.

Implementation of CORBA interface in a wireless device

CORBA (Common Object Request Broker Architecture) on laajalle levinnyt ja teollisuudessa yleisesti käytetty hajautetun tietojenkäsittelyn arkkitehtuuri. CORBA skaalautuu eri kokoisiin tarpeisiin ja sitä voidaan hyödynntää myös sulautetuissa langattomissa laitteissa. Oleellista sulautetussa ympäristössä on rakentaa rajapinnat kevytrakenteisiksi, pysyviksi ja helposti laajennettaviksi ilman että yhteensopivuus aikaisempiin rajapintoihin olisi vaarassa. Langattomissa laitteissa resurssit, kuten muistin määrä ja prosessointiteho, ovat hyvin rajalliset, joten rajapinta tulee suunnitella ja toteuttaa optimaalisesti. Palveluiden tulee ottaa huomioon myös langattomuuden rajoitukset, kuten hitaat tiedonsiirtonopeudet ja tiedonsiirron yhteydettömän luonteen. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin CORBA-rajapinta GSM-päätelaitteeseen, jonka on todettu täyttävän sille asetetut tavoitteet. Rajapinta tarjoaa kaikki yleisimmät GSM-terminaalin ominaisuudet ja on laajennettavissa tulevia tuotteita ja verkkotekniikoita varten. Laajennettavuutta saavutetaan esimerkiksi kuvaamalla terminaalin ominaisuudet yleisellä kuvauskielellä, kuten XML:lla (Extensible Markup Language).

PeerHood as UMSIC middleware module

The UMSIC project will produce an application for social inclusion of children. This application will run on Nokia N810 internet tablet. PeerHood is an implementation of Peer-to-Peer neighborhood and communication concept, it is going to be used as a part of middleware in the project. PeerHood is responsible for providing neighboring information and connections to nearby devices. This thesis will present the requirements that the project sets to PeerHood including the general state of the art middleware requirements and the requirements set by the target device. These requirements will not be analyzed further. One main focus of this thesis is to analyze PeerHood from the UMSIC project point of view. In this thesis the results of PeerHood analysis are presented, including memory consumption testing, performance testing and testing of networking components of PeerHood. As a result of these tests modifications for PeerHood are introduced. The modifications are related to PeerHood usage in real mobile environment. Based on these requirements a framework was implemented that, when used properly, will enhance the context awareness of PeerHood, especially in mobile devices. The techniques used in framework are presented and instructions about how to use the framework are given. The approaches used in the implemented framework are analysed in this thesis. As an outcome of this thesis the context awareness of PeerHood is improved. As an additional outcome the guidelines for future development of PeerHood are introduced that are based on the results of the analysis of both PeerHood and the implemented framework.

Wideband Printed Microstrip Antenna for Wireless Communications

A simple electromagnetically coupled wideband printed microstrip antenna having a 2:1 VSWR bandwidth of 38% covering the 5.2/5.8-GHz WLAN, HIPERLAN2, and HiSWANa communication bands is presented. The large bandwidth is obtained by adding a rectangular metal strip on a slotted square microstrip antenna. The antenna occupies an overall dimension of 42 times 55 times 3.2 mm3 when printed on a substrate of dielectric constant 4. It exhibits good radiation characteristics and moderate gain in the entire operating band. Details of the design along with experimental and simulation results are presented and discussed.

An adaptive cluster based routing scheme for mobile wireless sensor networks

Clustering schemes improve energy efficiency of wireless sensor networks. The inclusion of mobility as a new criterion for the cluster creation and maintenance adds new challenges for these clustering schemes. Cluster formation and cluster head selection is done on a stochastic basis for most of the algorithms. In this paper we introduce a cluster formation and routing algorithm based on a mobility factor. The proposed algorithm is compared with LEACH-M protocol based on metrics viz. number of cluster head transitions, average residual energy, number of alive nodes and number of messages lost

Framework for middleware executed on mobile devices

Die ubiquitäre Datenverarbeitung ist ein attraktives Forschungsgebiet des vergangenen und aktuellen Jahrzehnts. Es handelt von unaufdringlicher Unterstützung von Menschen in ihren alltäglichen Aufgaben durch Rechner. Diese Unterstützung wird durch die Allgegenwärtigkeit von Rechnern ermöglicht die sich spontan zu verteilten Kommunikationsnetzwerken zusammen finden, um Informationen auszutauschen und zu verarbeiten. Umgebende Intelligenz ist eine Anwendung der ubiquitären Datenverarbeitung und eine strategische Forschungsrichtung der Information Society Technology der Europäischen Union. Das Ziel der umbebenden Intelligenz ist komfortableres und sichereres Leben. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung charakterisieren sich durch Heterogenität der verwendeten Rechner. Diese reichen von Kleinstrechnern, eingebettet in Gegenstände des täglichen Gebrauchs, bis hin zu leistungsfähigen Großrechnern. Die Rechner verbinden sich spontan über kabellose Netzwerktechnologien wie wireless local area networks (WLAN), Bluetooth, oder UMTS. Die Heterogenität verkompliziert die Entwicklung und den Aufbau von verteilten Kommunikationsnetzwerken. Middleware ist eine Software Technologie um Komplexität durch Abstraktion zu einer homogenen Schicht zu reduzieren. Middleware bietet eine einheitliche Sicht auf die durch sie abstrahierten Ressourcen, Funktionalitäten, und Rechner. Verteilte Kommunikationsnetzwerke für die ubiquitäre Datenverarbeitung sind durch die spontane Verbindung von Rechnern gekennzeichnet. Klassische Middleware geht davon aus, dass Rechner dauerhaft miteinander in Kommunikationsbeziehungen stehen. Das Konzept der dienstorienterten Architektur ermöglicht die Entwicklung von Middleware die auch spontane Verbindungen zwischen Rechnern erlaubt. Die Funktionalität von Middleware ist dabei durch Dienste realisiert, die unabhängige Software-Einheiten darstellen. Das Wireless World Research Forum beschreibt Dienste die zukünftige Middleware beinhalten sollte. Diese Dienste werden von einer Ausführungsumgebung beherbergt. Jedoch gibt es noch keine Definitionen wie sich eine solche Ausführungsumgebung ausprägen und welchen Funktionsumfang sie haben muss. Diese Arbeit trägt zu Aspekten der Middleware-Entwicklung für verteilte Kommunikationsnetzwerke in der ubiquitären Datenverarbeitung bei. Der Schwerpunkt liegt auf Middleware und Grundlagentechnologien. Die Beiträge liegen als Konzepte und Ideen für die Entwicklung von Middleware vor. Sie decken die Bereiche Dienstfindung, Dienstaktualisierung, sowie Verträge zwischen Diensten ab. Sie sind in einem Rahmenwerk bereit gestellt, welches auf die Entwicklung von Middleware optimiert ist. Dieses Rahmenwerk, Framework for Applications in Mobile Environments (FAME²) genannt, beinhaltet Richtlinien, eine Definition einer Ausführungsumgebung, sowie Unterstützung für verschiedene Zugriffskontrollmechanismen um Middleware vor unerlaubter Benutzung zu schützen. Das Leistungsspektrum der Ausführungsumgebung von FAME² umfasst: • minimale Ressourcenbenutzung, um auch auf Rechnern mit wenigen Ressourcen, wie z.B. Mobiltelefone und Kleinstrechnern, nutzbar zu sein • Unterstützung für die Anpassung von Middleware durch Änderung der enthaltenen Dienste während die Middleware ausgeführt wird • eine offene Schnittstelle um praktisch jede existierende Lösung für das Finden von Diensten zu verwenden • und eine Möglichkeit der Aktualisierung von Diensten zu deren Laufzeit um damit Fehlerbereinigende, optimierende, und anpassende Wartungsarbeiten an Diensten durchführen zu können Eine begleitende Arbeit ist das Extensible Constraint Framework (ECF), welches Design by Contract (DbC) im Rahmen von FAME² nutzbar macht. DbC ist eine Technologie um Verträge zwischen Diensten zu formulieren und damit die Qualität von Software zu erhöhen. ECF erlaubt das aushandeln sowie die Optimierung von solchen Verträgen.

Large-Size AlGaN/GaN HEMT Large-Signal Electrothermal Characterization and Modeling for Wireless Digital Communications

The rapid growth in high data rate communication systems has introduced new high spectral efficient modulation techniques and standards such as LTE-A (long term evolution-advanced) for 4G (4th generation) systems. These techniques have provided a broader bandwidth but introduced high peak-to-average power ratio (PAR) problem at the high power amplifier (HPA) level of the communication system base transceiver station (BTS). To avoid spectral spreading due to high PAR, stringent requirement on linearity is needed which brings the HPA to operate at large back-off power at the expense of power efficiency. Consequently, high power devices are fundamental in HPAs for high linearity and efficiency. Recent development in wide bandgap power devices, in particular AlGaN/GaN HEMT, has offered higher power level with superior linearity-efficiency trade-off in microwaves communication. For cost-effective HPA design to production cycle, rigorous computer aided design (CAD) AlGaN/GaN HEMT models are essential to reflect real response with increasing power level and channel temperature. Therefore, large-size AlGaN/GaN HEMT large-signal electrothermal modeling procedure is proposed. The HEMT structure analysis, characterization, data processing, model extraction and model implementation phases have been covered in this thesis including trapping and self-heating dispersion accounting for nonlinear drain current collapse. The small-signal model is extracted using the 22-element modeling procedure developed in our department. The intrinsic large-signal model is deeply investigated in conjunction with linearity prediction. The accuracy of the nonlinear drain current has been enhanced through several issues such as trapping and self-heating characterization. Also, the HEMT structure thermal profile has been investigated and corresponding thermal resistance has been extracted through thermal simulation and chuck-controlled temperature pulsed I(V) and static DC measurements. Higher-order equivalent thermal model is extracted and implemented in the HEMT large-signal model to accurately estimate instantaneous channel temperature. Moreover, trapping and self-heating transients has been characterized through transient measurements. The obtained time constants are represented by equivalent sub-circuits and integrated in the nonlinear drain current implementation to account for complex communication signals dynamic prediction. The obtained verification of this table-based large-size large-signal electrothermal model implementation has illustrated high accuracy in terms of output power, gain, efficiency and nonlinearity prediction with respect to standard large-signal test signals.

Wireless sensor networks

This paper provides an introduction to Wireless Sensor Networks (WSN), their applications in the field of control engineering and elsewhere and gives pointers to future research needs. WSN are collections of stand-alone devices which, typically, have one or more sensors (e.g. temperature, light level), some limited processing capability and a wireless interface allowing communication with a base station. As they are usually battery powered, the biggest challenge is to achieve the necessary monitoring whilst using the least amount of power.