Ultra-low power WSNs: distributed signal processing and dynamic resource management

This thesis presents several data processing and compression techniques capable of addressing the strict requirements of wireless sensor networks. After introducing a general overview of sensor networks, the energy problem is introduced, dividing the different energy reduction approaches according to the different subsystem they try to optimize. To manage the complexity brought by these techniques, a quick overview of the most common middlewares for WSNs is given, describing in detail SPINE2, a framework for data processing in the node environment. The focus is then shifted on the in-network aggregation techniques, used to reduce data sent by the network nodes trying to prolong the network lifetime as long as possible. Among the several techniques, the most promising approach is the Compressive Sensing (CS). To investigate this technique, a practical implementation of the algorithm is compared against a simpler aggregation scheme, deriving a mixed algorithm able to successfully reduce the power consumption. The analysis moves from compression implemented on single nodes to CS for signal ensembles, trying to exploit the correlations among sensors and nodes to improve compression and reconstruction quality. The two main techniques for signal ensembles, Distributed CS (DCS) and Kronecker CS (KCS), are introduced and compared against a common set of data gathered by real deployments. The best trade-off between reconstruction quality and power consumption is then investigated. The usage of CS is also addressed when the signal of interest is sampled at a Sub-Nyquist rate, evaluating the reconstruction performance. Finally the group sparsity CS (GS-CS) is compared to another well-known technique for reconstruction of signals from an highly sub-sampled version. These two frameworks are compared again against a real data-set and an insightful analysis of the trade-off between reconstruction quality and lifetime is given.

Grid Connected Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine under LVRT

This project concentrates on the Low Voltage Ride Through (LVRT) capability of Doubly Fed Induction Generator (DFIG) wind turbine. The main attention in the project is, therefore, drawn to the control of the DFIG wind turbine and of its power converter and to the ability to protect itself without disconnection during grid faults. It provides also an overview on the interaction between variable speed DFIG wind turbines and the power system subjected to disturbances, such as short circuit faults. The dynamic model of DFIG wind turbine includes models for both mechanical components as well as for all electrical components, controllers and for the protection device of DFIG necessary during grid faults. The viewpoint of this project is to carry out different simulations to provide insight and understanding of the grid fault impact on both DFIG wind turbines and on the power system itself. The dynamic behavior of DFIG wind turbines during grid faults is simulated and assessed by using a transmission power system generic model developed and delivered by Transmission System Operator in the power system simulation toolbox Digsilent, Matlab/Simulink and PLECS.

Arbitrary Waveform Multilevel Generator for High Voltage High Frequency Plasma Actuators

This dissertation presents the theory and the conducted activity that lead to the construction of a high voltage high frequency arbitrary waveform voltage generator. The generator has been specifically designed to supply power to a wide range of plasma actuators. The system has been completely designed, manufactured and tested at the Department of Electrical, Electronic and Information Engineering of the University of Bologna. The generator structure is based on the single phase cascaded H-bridge multilevel topology and is comprised of 24 elementary units that are series connected in order to form the typical staircase output voltage waveform of a multilevel converter. The total number of voltage levels that can be produced by the generator is 49. Each level is 600 V making the output peak-to-peak voltage equal to 28.8 kV. The large number of levels provides high resolution with respect to the output voltage having thus the possibility to generate arbitrary waveforms. Maximum frequency of operation is 20 kHz. A study of the relevant literature shows that this is the first time that a cascaded multilevel converter of such dimensions has been constructed. Isolation and control challenges had to be solved for the realization of the system. The biggest problem of the current technology in power supplies for plasma actuators is load matching. Resonant converters are the most used power supplies and are seriously affected by this problem. The manufactured generator completely solves this issue providing consistent voltage output independently of the connected load. This fact is very important when executing tests and during the comparison of the results because all measures should be comparable and not dependent from matching issues. The use of the multilevel converter for power supplying a plasma actuator is a real technological breakthrough that has provided and will continue to provide very significant experimental results.

Quality of Service in Distributed Stream Processing for large scale Smart Pervasive Environments

The wide diffusion of cheap, small, and portable sensors integrated in an unprecedented large variety of devices and the availability of almost ubiquitous Internet connectivity make it possible to collect an unprecedented amount of real time information about the environment we live in. These data streams, if properly and timely analyzed, can be exploited to build new intelligent and pervasive services that have the potential of improving people's quality of life in a variety of cross concerning domains such as entertainment, health-care, or energy management. The large heterogeneity of application domains, however, calls for a middleware-level infrastructure that can effectively support their different quality requirements. In this thesis we study the challenges related to the provisioning of differentiated quality-of-service (QoS) during the processing of data streams produced in pervasive environments. We analyze the trade-offs between guaranteed quality, cost, and scalability in streams distribution and processing by surveying existing state-of-the-art solutions and identifying and exploring their weaknesses. We propose an original model for QoS-centric distributed stream processing in data centers and we present Quasit, its prototype implementation offering a scalable and extensible platform that can be used by researchers to implement and validate novel QoS-enforcement mechanisms. To support our study, we also explore an original class of weaker quality guarantees that can reduce costs when application semantics do not require strict quality enforcement. We validate the effectiveness of this idea in a practical use-case scenario that investigates partial fault-tolerance policies in stream processing by performing a large experimental study on the prototype of our novel LAAR dynamic replication technique. Our modeling, prototyping, and experimental work demonstrates that, by providing data distribution and processing middleware with application-level knowledge of the different quality requirements associated to different pervasive data flows, it is possible to improve system scalability while reducing costs.

Type Systems for Distributed Programs: Components and Sessions

Modern software systems, in particular distributed ones, are everywhere around us and are at the basis of our everyday activities. Hence, guaranteeing their cor- rectness, consistency and safety is of paramount importance. Their complexity makes the verification of such properties a very challenging task. It is natural to expect that these systems are reliable and above all usable. i) In order to be reliable, compositional models of software systems need to account for consistent dynamic reconfiguration, i.e., changing at runtime the communication patterns of a program. ii) In order to be useful, compositional models of software systems need to account for interaction, which can be seen as communication patterns among components which collaborate together to achieve a common task. The aim of the Ph.D. was to develop powerful techniques based on formal methods for the verification of correctness, consistency and safety properties related to dynamic reconfiguration and communication in complex distributed systems. In particular, static analysis techniques based on types and type systems appeared to be an adequate methodology, considering their success in guaranteeing not only basic safety properties, but also more sophisticated ones like, deadlock or livelock freedom in a concurrent setting. The main contributions of this dissertation are twofold. i) On the components side: we design types and a type system for a concurrent object-oriented calculus to statically ensure consistency of dynamic reconfigurations related to modifications of communication patterns in a program during execution time. ii) On the communication side: we study advanced safety properties related to communication in complex distributed systems like deadlock-freedom, livelock- freedom and progress. Most importantly, we exploit an encoding of types and terms of a typical distributed language, session π-calculus, into the standard typed π- calculus, in order to understand their expressive power.

Development and evaluation of a 44 Ti, 44 Sc radionuclide generator and labeling of biomolecules with 44 Sc and 68 Ga for PET imaging

Non-invasive molecular-imaging technologies are playing a key role in drug discovery, development and delivery. Positron Emission Tomography (PET) is such a molecular imaging technology and a powerful tool for the observation of various deceases in vivo. However, it is limited by the availability of vectors with high selectivity to the target and radionuclides with a physical half-life which matches the biological half-life of the observed process. The 68Ge/68Ga radionuclide generator makes the PET-nuclide anywhere available without an on-site cyclotron. Besides the perfect availability 68Ga shows well suited nuclide properties for PET, but it has to be co-ordinated by a chelator to introduce it in a radiopharmaceuticals.rnHowever, the physical half-life of 68Ga (67.7 min) might limit the spectrum of clinical applications of 68Ga-labelled radiodiagnostics. Furthermore, 68Ga-labelled analogues of endoradiotherapeuticals of longer biological half-live such as 90Y- or 177Lu-labeled peptides and proteins cannot be used to determine individual radiation dosimetry directly. rnThus, radionuclide generator systems providing positron emitting daughters of extended physical half-life are of renewed interest. In this context, generator-derived positron emitters with longer physical half-life are needed, such as 72As (T½ = 26 h) from the 72Se/72As generator, or 44Sc (T½ = 3.97 h) from the 44Ti/44Sc generator.rnIn this thesis the implementation of radioactive gallium-68 and scandium-44 for molecular imaging and nuclear medical diagnosis, beginning with chemical separation and purification of 44Ti as a radionuclide mother, investigation of pilot generators with different elution mode, building a prototype generator, development and investigation of post-processing of the generator eluate, its concentration and further purification, the labeling chemistry under different conditions, in vitro and in vivo studies of labeled compounds and, finally, in vivo imaging experiments are described.

Comparative phylogeography of two co-distributed arctic-alpine freshwater insect species in Europe

The distribution pattern of European arctic-alpine disjunct species is of growing interest among biogeographers due to the arising variety of inferred demographic histories. In this thesis I used the co-distributed mayfly Ameletus inopinatus and the stonefly Arcynopteryx compacta as model species to investigate the European Pleistocene and Holocene history of stream-inhabiting arctic-alpine aquatic insects. I used last glacial maximum (LGM) species distribution models (SDM) to derive hypotheses on the glacial survival during the LGM and the recolonization of Fennoscandia: 1) both species potentially survived glacial cycles in periglacial, extra Mediterranean refugia, and 2) postglacial recolonization of Fennoscandia originated from these refugia. I tested these hypotheses using mitochondrial sequence (mtCOI) and species specific microsatellite data. Additionally, I used future SDM to predict the impact of climate change induced range shifts and habitat loss on the overall genetic diversity of the endangered mayfly A. inopinatus.rnI observed old lineages, deep splits, and almost complete lineage sorting of mtCOI sequences between mountain ranges. These results support the hypothesis that both species persisted in multiple periglacial extra-Mediterranean refugia in Central Europe during the LGM. However, the recolonization of Fennoscandia was very different between the two study species. For the mayfly A. inopinatus I found strong differentiation between the Fennoscandian and all other populations in sequence and microsatellite data, indicating that Fennoscandia was recolonized from an extra European refugium. High mtCOI genetic structure within Fennoscandia supports a recolonization of multiple lineages from independent refugia. However, this structure was not apparent in the microsatellite data, consistent with secondary contact without sexual incompability. In contrast, the stonefly A. compacta exhibited low genetic structure and shared mtCOI haplotypes among Fennoscandia and the Black Forest, suggesting a shared Pleistocene refugium in the periglacial tundrabelt. Again, there is incongruence with the microsatellite data, which could be explained with ancestral polymorphism or female-biased dispersal. Future SDM projects major regional habitat loss for the mayfly A. inopinatus, particularly in Central European mountain ranges. By relating these range shifts to my population genetic results, I identified conservation units primarily in Eastern Europe, that if preserved would maintain high levels of the present-day genetic diversity of A. inopinatus and continue to provide long-term suitable habitat under future climate warming scenarios.rnIn this thesis I show that despite similar present day distributions the underlying demographic histories of the study species are vastly different, which might be due to differing dispersal capabilities and niche plasticity. I present genetic, climatic, and ecological data that can be used to prioritize conservation efforts for cold-adapted freshwater insects in light of future climate change. Overall, this thesis provides a next step in filling the knowledge gap regarding molecular studies of the arctic-alpine invertebrate fauna. However, there is continued need to explore the phenomenon of arctic-alpine disjunctions to help understand the processes of range expansion, regression, and lineage diversification in Europe’s high latitude and high altitude biota.

Distributed Smart City Services for Urban Ecosystems

A Smart City is a high-performance urban context, where citizens live independently and are more aware of the surrounding opportunities, thanks to forward-looking development of economy politics, governance, mobility and environment. ICT infrastructures play a key-role in this new research field being also a mean for society to allow new ideas to prosper and new, more efficient approaches to be developed. The aim of this work is to research and develop novel solutions, here called smart services, in order to solve several upcoming problems and known issues in urban areas and more in general in the modern society context. A specific focus is posed on smart governance and on privacy issues which have been arisen in the cellular age.

Evaluation of a cloud infrastructure for the CMS distributed data analysis in the top quark sector at the LHC

Nella fisica delle particelle, onde poter effettuare analisi dati, è necessario disporre di una grande capacità di calcolo e di storage. LHC Computing Grid è una infrastruttura di calcolo su scala globale e al tempo stesso un insieme di servizi, sviluppati da una grande comunità di fisici e informatici, distribuita in centri di calcolo sparsi in tutto il mondo. Questa infrastruttura ha dimostrato il suo valore per quanto riguarda l'analisi dei dati raccolti durante il Run-1 di LHC, svolgendo un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs. Oggi il Cloud computing sta emergendo come un nuovo paradigma di calcolo per accedere a grandi quantità di risorse condivise da numerose comunità scientifiche. Date le specifiche tecniche necessarie per il Run-2 (e successivi) di LHC, la comunità scientifica è interessata a contribuire allo sviluppo di tecnologie Cloud e verificare se queste possano fornire un approccio complementare, oppure anche costituire una valida alternativa, alle soluzioni tecnologiche esistenti. Lo scopo di questa tesi è di testare un'infrastruttura Cloud e confrontare le sue prestazioni alla LHC Computing Grid. Il Capitolo 1 contiene un resoconto generale del Modello Standard. Nel Capitolo 2 si descrive l'acceleratore LHC e gli esperimenti che operano a tale acceleratore, con particolare attenzione all’esperimento CMS. Nel Capitolo 3 viene trattato il Computing nella fisica delle alte energie e vengono esaminati i paradigmi Grid e Cloud. Il Capitolo 4, ultimo del presente elaborato, riporta i risultati del mio lavoro inerente l'analisi comparata delle prestazioni di Grid e Cloud.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

Progettazione e realizzazione di uno smart distributed system per il controllo degli accessi in ambito aziendale

Il lavoro svolto è dedicato alla realizzazione ed implementazione di un sistema distribuito "smart" per il controllo degli accessi. Il progetto sviluppato è inquadrato nel contesto di "SPOT Software", che necessita di migliorare il processo aziendale di controllo accessi e gestione presenze al fine di aumentarne usabilità ed efficienza. Saranno affrontate in generale le tematiche di Internet of Things, Smart Building, Smart City e sistemi embedded, approfondendo il ruolo delle tecnologie di comunicazione NFC e BLE, al centro di questo lavoro. Successivamente sarà discussa la progettazione di ognuno dei tre nodi del sistema, motivando le scelte tecnologiche e progettuali: Web application, Smart device e Smartphone app.

Smart execution of distributed application by balancing resources in mobile devices and cloud-based avatars

L’obiettivo del progetto di tesi svolto è quello di realizzare un servizio di livello middleware dedicato ai dispositivi mobili che sia in grado di fornire il supporto per l’offloading di codice verso una infrastruttura cloud. In particolare il progetto si concentra sulla migrazione di codice verso macchine virtuali dedicate al singolo utente. Il sistema operativo delle VMs è lo stesso utilizzato dal device mobile. Come i precedenti lavori sul computation offloading, il progetto di tesi deve garantire migliori performance in termini di tempo di esecuzione e utilizzo della batteria del dispositivo. In particolare l’obiettivo più ampio è quello di adattare il principio di computation offloading a un contesto di sistemi distribuiti mobili, migliorando non solo le performance del singolo device, ma l’esecuzione stessa dell’applicazione distribuita. Questo viene fatto tramite una gestione dinamica delle decisioni di offloading basata, non solo, sullo stato del device, ma anche sulla volontà e/o sullo stato degli altri utenti appartenenti allo stesso gruppo. Per esempio, un primo utente potrebbe influenzare le decisioni degli altri membri del gruppo specificando una determinata richiesta, come alta qualità delle informazioni, risposta rapida o basata su altre informazioni di alto livello. Il sistema fornisce ai programmatori un semplice strumento di definizione per poter creare nuove policy personalizzate e, quindi, specificare nuove regole di offloading. Per rendere il progetto accessibile ad un più ampio numero di sviluppatori gli strumenti forniti sono semplici e non richiedono specifiche conoscenze sulla tecnologia. Il sistema è stato poi testato per verificare le sue performance in termini di mecchanismi di offloading semplici. Successivamente, esso è stato anche sottoposto a dei test per verificare che la selezione di differenti policy, definite dal programmatore, portasse realmente a una ottimizzazione del parametro designato.

Aggregate Programming in Scala: a Core Library and Actor-Based Platform for Distributed Computational Fields

La programmazione aggregata è un paradigma che supporta la programmazione di sistemi di dispositivi, adattativi ed eventualmente a larga scala, nel loro insieme -- come aggregati. L'approccio prevalente in questo contesto è basato sul field calculus, un calcolo formale che consente di definire programmi aggregati attraverso la composizione funzionale di campi computazionali, creando i presupposti per la specifica di pattern di auto-organizzazione robusti. La programmazione aggregata è attualmente supportata, in modo più o meno parziale e principalmente per la simulazione, da DSL dedicati (cf., Protelis), ma non esistono framework per linguaggi mainstream finalizzati allo sviluppo di applicazioni. Eppure, un simile supporto sarebbe auspicabile per ridurre tempi e sforzi d'adozione e per semplificare l'accesso al paradigma nella costruzione di sistemi reali, nonché per favorire la ricerca stessa nel campo. Il presente lavoro consiste nello sviluppo, a partire da un prototipo della semantica operazionale del field calculus, di un framework per la programmazione aggregata in Scala. La scelta di Scala come linguaggio host nasce da motivi tecnici e pratici. Scala è un linguaggio moderno, interoperabile con Java, che ben integra i paradigmi ad oggetti e funzionale, ha un sistema di tipi espressivo, e fornisce funzionalità avanzate per lo sviluppo di librerie e DSL. Inoltre, la possibilità di appoggiarsi, su Scala, ad un framework ad attori solido come Akka, costituisce un altro fattore trainante, data la necessità di colmare l'abstraction gap inerente allo sviluppo di un middleware distribuito. Nell'elaborato di tesi si presenta un framework che raggiunge il triplice obiettivo: la costruzione di una libreria Scala che realizza la semantica del field calculus in modo corretto e completo, la realizzazione di una piattaforma distribuita Akka-based su cui sviluppare applicazioni, e l'esposizione di un'API generale e flessibile in grado di supportare diversi scenari.

Distributed allocation and scheduling of applications on HPC platforms

High Performance Computing e una tecnologia usata dai cluster computazionali per creare sistemi di elaborazione che sono in grado di fornire servizi molto piu potenti rispetto ai computer tradizionali. Di conseguenza la tecnologia HPC e diventata un fattore determinante nella competizione industriale e nella ricerca. I sistemi HPC continuano a crescere in termini di nodi e core. Le previsioni indicano che il numero dei nodi arrivera a un milione a breve. Questo tipo di architettura presenta anche dei costi molto alti in termini del consumo delle risorse, che diventano insostenibili per il mercato industriale. Un scheduler centralizzato non e in grado di gestire un numero di risorse cosi alto, mantenendo un tempo di risposta ragionevole. In questa tesi viene presentato un modello di scheduling distribuito che si basa sulla programmazione a vincoli e che modella il problema dello scheduling grazie a una serie di vincoli temporali e vincoli sulle risorse che devono essere soddisfatti. Lo scheduler cerca di ottimizzare le performance delle risorse e tende ad avvicinarsi a un profilo di consumo desiderato, considerato ottimale. Vengono analizzati vari modelli diversi e ognuno di questi viene testato in vari ambienti.

Design, implementation and performance evaluation of an anonymous distributed simulator

La simulazione è definita come la rappresentazione del comportamento di un sistema o di un processo per mezzo del funzionamento di un altro o, alternativamente, dall'etimologia del verbo “simulare”, come la riproduzione di qualcosa di fittizio, irreale, come se in realtà, lo fosse. La simulazione ci permette di modellare la realtà ed esplorare soluzioni differenti e valutare sistemi che non possono essere realizzati per varie ragioni e, inoltre, effettuare differenti valutazioni, dinamiche per quanto concerne la variabilità delle condizioni. I modelli di simulazione possono raggiungere un grado di espressività estremamente elevato, difficilmente un solo calcolatore potrà soddisfare in tempi accettabili i risultati attesi. Una possibile soluzione, viste le tendenze tecnologiche dei nostri giorni, è incrementare la capacità computazionale tramite un’architettura distribuita (sfruttando, ad esempio, le possibilità offerte dal cloud computing). Questa tesi si concentrerà su questo ambito, correlandolo ad un altro argomento che sta guadagnando, giorno dopo giorno, sempre più rilevanza: l’anonimato online. I recenti fatti di cronaca hanno dimostrato quanto una rete pubblica, intrinsecamente insicura come l’attuale Internet, non sia adatta a mantenere il rispetto di confidenzialità, integrità ed, in alcuni, disponibilità degli asset da noi utilizzati: nell’ambito della distribuzione di risorse computazionali interagenti tra loro, non possiamo ignorare i concreti e molteplici rischi; in alcuni sensibili contesti di simulazione (e.g., simulazione militare, ricerca scientifica, etc.) non possiamo permetterci la diffusione non controllata dei nostri dati o, ancor peggio, la possibilità di subire un attacco alla disponibilità delle risorse coinvolte. Essere anonimi implica un aspetto estremamente rilevante: essere meno attaccabili, in quanto non identificabili.