A novel methodology for planning reliable wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) have shown their potentials in various applications, which bring a lot of benefits to users from both research and industrial areas. For many setups, it is envisioned thatWSNs will consist of tens to hundreds of nodes that operate on small batteries. However due to the diversity of the deployed environments and resource constraints on radio communication, sensing ability and energy supply, it is a very challenging issue to plan optimized WSN topology and predict its performance before real deployment. During the network planning phase, the connectivity, coverage, cost, network longevity and service quality should all be considered. Therefore it requires designers coping with comprehensive and interdisciplinary knowledge, including networking, radio engineering, embedded system and so on, in order to efficiently construct a reliable WSN for any specific types of environment. Nowadays there is still a lack of the analysis and experiences to guide WSN designers to efficiently construct WSN topology successfully without many trials. Therefore, simulation is a feasible approach to the quantitative analysis of the performance of wireless sensor networks. However the existing planning algorithms and tools, to some extent, have serious limitations to practically design reliable WSN topology: Only a few of them tackle the 3D deployment issue, and an overwhelming number of works are proposed to place devices in 2D scheme. Without considering the full dimension, the impacts of environment to the performance of WSN are not completely studied, thus the values of evaluated metrics such as connectivity and sensing coverage are not sufficiently accurate to make proper decision. Even fewer planning methods model the sensing coverage and radio propagation by considering the realistic scenario where obstacles exist. Radio signals propagate with multi-path phenomenon in the real world, in which direct paths, reflected paths and diffracted paths contribute to the received signal strength. Besides, obstacles between the path of sensor and objects might block the sensing signals, thus create coverage hole in the application. None of the existing planning algorithms model the network longevity and packet delivery capability properly and practically. They often employ unilateral and unrealistic formulations. The optimization targets are often one-sided in the current works. Without comprehensive evaluation on the important metrics, the performance of planned WSNs can not be reliable and entirely optimized. Modeling of environment is usually time consuming and the cost is very high, while none of the current works figure out any method to model the 3D deployment environment efficiently and accurately. Therefore many researchers are trapped by this issue, and their algorithms can only be evaluated in the same scenario, without the possibility to test the robustness and feasibility for implementations in different environments. In this thesis, we propose a novel planning methodology and an intelligent WSN planning tool to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs. First of all, a new method is proposed to efficiently and automatically model the 3D indoor and outdoor environments. To the best of our knowledge, this is the first time that the advantages of image understanding algorithm are applied to automatically reconstruct 3D outdoor and indoor scenarios for signal propagation and network planning purpose. The experimental results indicate that the proposed methodology is able to accurately recognize different objects from the satellite images of the outdoor target regions and from the scanned floor plan of indoor area. Its mechanism offers users a flexibility to reconstruct different types of environment without any human interaction. Thereby it significantly reduces human efforts, cost and time spent on reconstructing a 3D geographic database and allows WSN designers concentrating on the planning issues. Secondly, an efficient ray-tracing engine is developed to accurately and practically model the radio propagation and sensing signal on the constructed 3D map. The engine contributes on efficiency and accuracy to the estimated results. By using image processing concepts, including the kd-tree space division algorithm and modified polar sweep algorithm, the rays are traced efficiently without detecting all the primitives in the scene. The radio propagation model iv is proposed, which emphasizes not only the materials of obstacles but also their locations along the signal path. The sensing signal of sensor nodes, which is sensitive to the obstacles, is benefit from the ray-tracing algorithm via obstacle detection. The performance of this modelling method is robust and accurate compared with conventional methods, and experimental results imply that this methodology is suitable for both outdoor urban scenes and indoor environments. Moreover, it can be applied to either GSM communication or ZigBee protocol by varying frequency parameter of the radio propagation model. Thirdly, WSN planning method is proposed to tackle the above mentioned challenges and efficiently deploy reliable WSNs. More metrics (connectivity, coverage, cost, lifetime, packet latency and packet drop rate) are modeled more practically compared with other works. Especially 3D ray tracing method is used to model the radio link and sensing signal which are sensitive to the obstruction of obstacles; network routing is constructed by using AODV protocol; the network longevity, packet delay and packet drop rate are obtained via simulating practical events in WSNet simulator, which to the best of our knowledge, is the first time that network simulator is involved in a planning algorithm. Moreover, a multi-objective optimization algorithm is developed to cater for the characteristics of WSNs. The capability of providing multiple optimized solutions simultaneously allows users making their own decisions accordingly, and the results are more comprehensively optimized compared with other state-of-the-art algorithms. iMOST is developed by integrating the introduced algorithms, to assist WSN designers efficiently planning reliable WSNs for different configurations. The abbreviated name iMOST stands for an Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool. iMOST contributes on: (1) Convenient operation with a user-friendly vision system; (2) Efficient and automatic 3D database reconstruction and fast 3D objects design for both indoor and outdoor environments; (3) It provides multiple multi-objective optimized 3D deployment solutions and allows users to configure the network properties, hence it can adapt to various WSN applications; (4) Deployment solutions in the 3D space and the corresponding evaluated performance are visually presented to users; and (5) The Node Placement Module of iMOST is available online as well as the source code of the other two rebuilt heuristics. Therefore WSN designers will be benefit from v this tool on efficiently constructing environment database, practically and efficiently planning reliable WSNs for both outdoor and indoor applications. With the open source codes, they are also able to compare their developed algorithms with ours to contribute to this academic field. Finally, solid real results are obtained for both indoor and outdoor WSN planning. Deployments have been realized for both indoor and outdoor environments based on the provided planning solutions. The measured results coincide well with the estimated results. The proposed planning algorithm is adaptable according to the WSN designer’s desirability and configuration, and it offers flexibility to plan small and large scale, indoor and outdoor 3D deployments. The thesis is organized in 7 chapters. In Chapter 1, WSN applications and motivations of this work are introduced, the state-of-the-art planning algorithms and tools are reviewed, challenges are stated out and the proposed methodology is briefly introduced. In Chapter 2, the proposed 3D environment reconstruction methodology is introduced and its performance is evaluated for both outdoor and indoor environment. The developed ray-tracing engine and proposed radio propagation modelling method are described in details in Chapter 3, their performances are evaluated in terms of computation efficiency and accuracy. Chapter 4 presents the modelling of important metrics of WSNs and the proposed multi-objective optimization planning algorithm, the performance is compared with the other state-of-the-art planning algorithms. The intelligent WSN planning tool iMOST is described in Chapter 5. RealWSN deployments are prosecuted based on the planned solutions for both indoor and outdoor scenarios, important data are measured and results are analysed in Chapter 6. Chapter 7 concludes the thesis and discusses about future works. vi Resumen en Castellano Las redes de sensores inalámbricas (en inglés Wireless Sensor Networks, WSNs) han demostrado su potencial en diversas aplicaciones que aportan una gran cantidad de beneficios para el campo de la investigación y de la industria. Para muchas configuraciones se prevé que las WSNs consistirán en decenas o cientos de nodos que funcionarán con baterías pequeñas. Sin embargo, debido a la diversidad de los ambientes para desplegar las redes y a las limitaciones de recursos en materia de comunicación de radio, capacidad de detección y suministro de energía, la planificación de la topología de la red y la predicción de su rendimiento es un tema muy difícil de tratar antes de la implementación real. Durante la fase de planificación del despliegue de la red se deben considerar aspectos como la conectividad, la cobertura, el coste, la longevidad de la red y la calidad del servicio. Por lo tanto, requiere de diseñadores con un amplio e interdisciplinario nivel de conocimiento que incluye la creación de redes, la ingeniería de radio y los sistemas embebidos entre otros, con el fin de construir de manera eficiente una WSN confiable para cualquier tipo de entorno. Hoy en día todavía hay una falta de análisis y experiencias que orienten a los diseñadores de WSN para construir las topologías WSN de manera eficiente sin realizar muchas pruebas. Por lo tanto, la simulación es un enfoque viable para el análisis cuantitativo del rendimiento de las redes de sensores inalámbricos. Sin embargo, los algoritmos y herramientas de planificación existentes tienen, en cierta medida, serias limitaciones para diseñar en la práctica una topología fiable de WSN: Sólo unos pocos abordan la cuestión del despliegue 3D mientras que existe una gran cantidad de trabajos que colocan los dispositivos en 2D. Si no se analiza la dimensión completa (3D), los efectos del entorno en el desempeño de WSN no se estudian por completo, por lo que los valores de los parámetros evaluados, como la conectividad y la cobertura de detección, no son lo suficientemente precisos para tomar la decisión correcta. Aún en menor medida los métodos de planificación modelan la cobertura de los sensores y la propagación de la señal de radio teniendo en cuenta un escenario realista donde existan obstáculos. Las señales de radio en el mundo real siguen una propagación multicamino, en la que los caminos directos, los caminos reflejados y los caminos difractados contribuyen a la intensidad de la señal recibida. Además, los obstáculos entre el recorrido del sensor y los objetos pueden bloquear las señales de detección y por lo tanto crear áreas sin cobertura en la aplicación. Ninguno de los algoritmos de planificación existentes modelan el tiempo de vida de la red y la capacidad de entrega de paquetes correctamente y prácticamente. A menudo se emplean formulaciones unilaterales y poco realistas. Los objetivos de optimización son a menudo tratados unilateralmente en los trabajos actuales. Sin una evaluación exhaustiva de los parámetros importantes, el rendimiento previsto de las redes inalámbricas de sensores no puede ser fiable y totalmente optimizado. Por lo general, el modelado del entorno conlleva mucho tiempo y tiene un coste muy alto, pero ninguno de los trabajos actuales propone algún método para modelar el entorno de despliegue 3D con eficiencia y precisión. Por lo tanto, muchos investigadores están limitados por este problema y sus algoritmos sólo se pueden evaluar en el mismo escenario, sin la posibilidad de probar la solidez y viabilidad para las implementaciones en diferentes entornos. En esta tesis, se propone una nueva metodología de planificación así como una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas para ayudar a los diseñadores a planificar WSNs fiables de una manera eficiente. En primer lugar, se propone un nuevo método para modelar demanera eficiente y automática los ambientes interiores y exteriores en 3D. Según nuestros conocimientos hasta la fecha, esta es la primera vez que las ventajas del algoritmo de _image understanding_se aplican para reconstruir automáticamente los escenarios exteriores e interiores en 3D para analizar la propagación de la señal y viii la planificación de la red. Los resultados experimentales indican que la metodología propuesta es capaz de reconocer con precisión los diferentes objetos presentes en las imágenes satelitales de las regiones objetivo en el exterior y de la planta escaneada en el interior. Su mecanismo ofrece a los usuarios la flexibilidad para reconstruir los diferentes tipos de entornos sin ninguna interacción humana. De este modo se reduce considerablemente el esfuerzo humano, el coste y el tiempo invertido en la reconstrucción de una base de datos geográfica con información 3D, permitiendo así que los diseñadores se concentren en los temas de planificación. En segundo lugar, se ha desarrollado un motor de trazado de rayos (en inglés ray tracing) eficiente para modelar con precisión la propagación de la señal de radio y la señal de los sensores en el mapa 3D construido. El motor contribuye a la eficiencia y la precisión de los resultados estimados. Mediante el uso de los conceptos de procesamiento de imágenes, incluyendo el algoritmo del árbol kd para la división del espacio y el algoritmo _polar sweep_modificado, los rayos se trazan de manera eficiente sin la detección de todas las primitivas en la escena. El modelo de propagación de radio que se propone no sólo considera los materiales de los obstáculos, sino también su ubicación a lo largo de la ruta de señal. La señal de los sensores de los nodos, que es sensible a los obstáculos, se ve beneficiada por la detección de objetos llevada a cabo por el algoritmo de trazado de rayos. El rendimiento de este método de modelado es robusto y preciso en comparación con los métodos convencionales, y los resultados experimentales indican que esta metodología es adecuada tanto para escenas urbanas al aire libre como para ambientes interiores. Por otra parte, se puede aplicar a cualquier comunicación GSM o protocolo ZigBee mediante la variación de la frecuencia del modelo de propagación de radio. En tercer lugar, se propone un método de planificación de WSNs para hacer frente a los desafíos mencionados anteriormente y desplegar redes de sensores fiables de manera eficiente. Se modelan más parámetros (conectividad, cobertura, coste, tiempo de vida, la latencia de paquetes y tasa de caída de paquetes) en comparación con otros trabajos. Especialmente el método de trazado de rayos 3D se utiliza para modelar el enlace de radio y señal de los sensores que son sensibles a la obstrucción de obstáculos; el enrutamiento de la red se construye utilizando el protocolo AODV; la longevidad de la red, retardo de paquetes ix y tasa de abandono de paquetes se obtienen a través de la simulación de eventos prácticos en el simulador WSNet, y según nuestros conocimientos hasta la fecha, es la primera vez que simulador de red está implicado en un algoritmo de planificación. Por otra parte, se ha desarrollado un algoritmo de optimización multi-objetivo para satisfacer las características de las redes inalámbricas de sensores. La capacidad de proporcionar múltiples soluciones optimizadas de forma simultánea permite a los usuarios tomar sus propias decisiones en consecuencia, obteniendo mejores resultados en comparación con otros algoritmos del estado del arte. iMOST se desarrolla mediante la integración de los algoritmos presentados, para ayudar de forma eficiente a los diseñadores en la planificación de WSNs fiables para diferentes configuraciones. El nombre abreviado iMOST (Intelligent Multi-objective Optimization Sensor network planning Tool) representa una herramienta inteligente de planificación de redes de sensores con optimización multi-objetivo. iMOST contribuye en: (1) Operación conveniente con una interfaz de fácil uso, (2) Reconstrucción eficiente y automática de una base de datos con información 3D y diseño rápido de objetos 3D para ambientes interiores y exteriores, (3) Proporciona varias soluciones de despliegue optimizadas para los multi-objetivo en 3D y permite a los usuarios configurar las propiedades de red, por lo que puede adaptarse a diversas aplicaciones de WSN, (4) las soluciones de implementación en el espacio 3D y el correspondiente rendimiento evaluado se presentan visualmente a los usuarios, y (5) El _Node Placement Module_de iMOST está disponible en línea, así como el código fuente de las otras dos heurísticas de planificación. Por lo tanto los diseñadores WSN se beneficiarán de esta herramienta para la construcción eficiente de la base de datos con información del entorno, la planificación práctica y eficiente de WSNs fiables tanto para aplicaciones interiores y exteriores. Con los códigos fuente abiertos, son capaces de comparar sus algoritmos desarrollados con los nuestros para contribuir a este campo académico. Por último, se obtienen resultados reales sólidos tanto para la planificación de WSN en interiores y exteriores. Los despliegues se han realizado tanto para ambientes de interior y como para ambientes de exterior utilizando las soluciones de planificación propuestas. Los resultados medidos coinciden en gran medida con los resultados estimados. El algoritmo de planificación x propuesto se adapta convenientemente al deiseño de redes de sensores inalámbricas, y ofrece flexibilidad para planificar los despliegues 3D a pequeña y gran escala tanto en interiores como en exteriores. La tesis se estructura en 7 capítulos. En el Capítulo 1, se presentan las aplicaciones de WSN y motivaciones de este trabajo, se revisan los algoritmos y herramientas de planificación del estado del arte, se presentan los retos y se describe brevemente la metodología propuesta. En el Capítulo 2, se presenta la metodología de reconstrucción de entornos 3D propuesta y su rendimiento es evaluado tanto para espacios exteriores como para espacios interiores. El motor de trazado de rayos desarrollado y el método de modelado de propagación de radio propuesto se describen en detalle en el Capítulo 3, evaluándose en términos de eficiencia computacional y precisión. En el Capítulo 4 se presenta el modelado de los parámetros importantes de las WSNs y el algoritmo de planificación de optimización multi-objetivo propuesto, el rendimiento se compara con los otros algoritmos de planificación descritos en el estado del arte. La herramienta inteligente de planificación de redes de sensores inalámbricas, iMOST, se describe en el Capítulo 5. En el Capítulo 6 se llevan a cabo despliegues reales de acuerdo a las soluciones previstas para los escenarios interiores y exteriores, se miden los datos importantes y se analizan los resultados. En el Capítulo 7 se concluye la tesis y se discute acerca de los trabajos futuros.

Jupiter power generation with electrodynamic tethers at constant orbital energy

An electrodynamic tether system for power generation at Jupiter is presented that allows extracting energy from Jupiter's corotating plasmasphere while leaving the system orbital energy unaltered to first order. The spacecraft is placed in a polar orbit with the tether spinning in the orbital plane so that the resulting Lorentz force, neglecting Jupiter's magnetic dipole tilt, is orthogonal to the instantaneous velocity vector and orbital radius, hence affecting orbital inclination rather than orbital energy. In addition, the electrodynamic tether subsystem, which consists of two radial tether arms deployed from the main central spacecraft, is designed in such a way as to extract maximum power while keeping the resulting Lorentz torque constantly null. The power-generation performance of the system and the effect on the orbit inclination is evaluated analytically for different orbital conditions and verified numerically. Finally, a thruster-based inclination-compensation maneuver at apoapsis is added, resulting in an efficient scheme to extract energy from the plasmasphere of the planet with minimum propellant consumption and no inclination change. A tradeoff analysis is conducted showing that, depending on tether size and orbit characteristics, the system performance can be considerably higher than conventional power-generation methods.

On-the-fly dynamic reprogramming mechanism for increasing the energy efficiency and supporting multi-experimental capabilities in WSNs

Remote reprogramming capabilities are one of the major concerns in WSN platforms due to the limitations and constraints that low power wireless nodes poses, especially when energy efficiency during the reprogramming process is a critical factor for extending the battery life of the devices. Moreover, WSNs are based on low-rate protocols in which as greater the amount of data is sent, the more the possibility to lose packets during the transmitting process is. In order to overcome these limitations, in this work a novel on-the-fly reprogramming technique for modifying and updating the application running on the wireless sensor nodes is designed and implemented, based on a partial reprogramming mechanism that significantly reduces the size of the files to be downloaded to the nodes, therefore diminishing their power/time consumption. This powerful mechanism also addresses multi-experimental capabilities because it provides the possibility to download, manage, test and debug multiple applications into the wireless nodes, based on a memory map segmentation of the core. Being an on-the-fly reprogramming process, no additional resources to store and download the configuration file are needed.

Towards cost reduction in concentrating solar power: innovative design for an efficient fresnel based solar field

Energía termosolar (de concentración) es uno de los nombres que hacen referencia en español al término inglés “concentrating solar power”. Se trata de una tecnología basada en la captura de la potencia térmica de la radiación solar, de forma que permita alcanzar temperaturas capaces de alimentar un ciclo termodinámico convencional (o avanzado); el futuro de esta tecnología depende principalmente de su capacidad para concentrar la radiación solar de manera eficiente y económica. La presente tesis está orientada hacia la resolución de ciertos problemas importantes relacionados con este objetivo. La mencionada necesidad de reducir costes en la concentración de radiación solar directa, asegurando el objetivo termodinámico de calentar un fluido hasta una determinada temperatura, es de vital importancia. Los colectores lineales Fresnel han sido identificados en la literatura científica como una tecnología con gran potencial para alcanzar esta reducción de costes. Dicha tecnología ha sido seleccionada por numerosas razones, entre las que destacan su gran libertad de diseño y su actual estado inmaduro. Con el objetivo de responder a este desafío se desarrollado un detallado estudio de las propiedades ópticas de los colectores lineales Fresnel, para lo cual se han utilizado métodos analíticos y numéricos de manera combinada. En primer lugar, se han usado unos modelos para la predicción de la localización y la irradiación normal directa del sol junto a unas relaciones analíticas desarrolladas para estudiar el efecto de múltiples variables de diseño en la energía incidente sobre los espejos. Del mismo modo, se han obtenido analíticamente los errores debidos al llamado “off-axis aberration”, a la apertura de los rayos reflejados en los espejos y a las sombras y bloqueos entre espejos. Esto ha permitido la comparación de diferentes formas de espejo –planos, circulares o parabólicos–, así como el diseño preliminar de la localización y anchura de los espejos y receptor sin necesidad de costosos métodos numéricos. En segundo lugar, se ha desarrollado un modelo de trazado de rayos de Monte Carlo con el objetivo de comprobar la validez del estudio analítico, pero sobre todo porque este no es preciso en el estudio de la reflexión en espejos. El código desarrollado está específicamente ideado para colectores lineales Fresnel, lo que ha permitido la reducción del tiempo de cálculo en varios órdenes de magnitud en comparación con un programa comercial más general. Esto justifica el desarrollo de un nuevo código en lugar de la compra de una licencia de otro programa. El modelo ha sido usado primeramente para comparar la intensidad de flujo térmico y rendimiento de colectores Fresnel, con y sin reflector secundario, con los colectores cilíndrico parabólicos. Finalmente, la conjunción de los resultados obtenidos en el estudio analítico con el programa numérico ha sido usada para optimizar el campo solar para diferentes orientaciones –Norte-Sur y Este-Oeste–, diferentes localizaciones –Almería y Aswan–, diferentes inclinaciones hacia el Trópico –desde 0 deg hasta 32 deg– y diferentes mínimos de intensidad del flujo en el centro del receptor –10 kW/m2 y 25 kW/m2–. La presente tesis ha conducido a importantes descubrimientos que deben ser considerados a la hora de diseñar un campo solar Fresnel. En primer lugar, los espejos utilizados no deben ser plano, sino cilíndricos o parabólicos, ya que los espejos curvos implican mayores concentraciones y rendimiento. Por otro lado, se ha llegado a la conclusión de que la orientación Este-Oeste es más propicia para localizaciones con altas latitudes, como Almería, mientras que en zonas más cercanas a los trópicos como Aswan los campos Norte-Sur conducen a mayores rendimientos. Es de destacar que la orientación Este-Oeste requiere aproximadamente la mitad de espejos que los campos Norte-Sur, puediendo estar inclinados hacia los Trópicos para mejorar el rendimiento, y que alcanzan parecidos valores de intensidad térmica en el receptor todos los días a mediodía. Sin embargo, los campos con orientación Norte-Sur permiten un flujo más constante a lo largo de un día. Por último, ha sido demostrado que el uso de diseños pre-optimizados analíticamente, con anchura de espejos y espaciado entre espejos variables a lo ancho del campo, pueden implicar aumentos de la energía generada por metro cuadrado de espejos de hasta el 6%. El rendimiento óptico anual de los colectores cilíndrico parabólicos es 23 % mayor que el rendimiento de los campos Fresnel en Almería, mientras que la diferencia es de solo 9 % en Aswan. Ello implica que, para alcanzar el mismo precio de electricidad que la tecnología de referencia, la reducción de costes de instalación por metro cuadrado de espejo debe estar entre el 10 % y el 25 %, y que los colectores lineales Fresnel tienen más posibilidades de ser desarrollados en zonas de bajas latitudes. Como consecuencia de los estudios desarrollados en esta tesis se ha patentado un sistema de almacenamiento que tiene en cuenta la variación del flujo térmico en el receptor a lo largo del día, especialmente para campos con orientación Este-Oeste. Este invento permitiría el aprovechamiento de la energía incidente durante más parte del año, aumentando de manera apreciable los rendimientos óptico y térmico. Abstract Concentrating solar power is the common name of a technology based on capturing the thermal power of solar radiation, in a suitable way to reach temperatures able to activate a conventional (or advanced) thermodynamic cycle to generate electricity; this quest mainly depends on our ability to concentrate solar radiation in a cheap and efficient way. The present thesis is focused to highlight and help solving some of the important issues related to this problem. The need of reducing costs in concentrating the direct solar radiation, but without jeopardizing the thermodynamic objective of heating a fluid up to the required temperature, is of prime importance. Linear Fresnel collectors have been identified in the scientific literature as a technology with high potential to reach this cost reduction. This technology has been selected because of a number of reasons, particularly the degrees of freedom of this type of concentrating configuration and its current immature state. In order to respond to this challenge, a very detailed exercise has been carried out on the optical properties of linear Fresnel collectors. This has been done combining analytic and numerical methods. First, the effect of the design variables on the ratio of energy impinging onto the reflecting surface has been studied using analytically developed equations, together with models that predict the location and direct normal irradiance of the sun at any moment. Similarly, errors due to off-axis aberration, to the aperture of the reflected energy beam and to shading and blocking effects have been obtained analytically. This has allowed the comparison of different shapes of mirrors –flat, cylindrical or parabolic–, as well as a preliminary optimization of the location and width of mirrors and receiver with no need of time-consuming numerical models. Second, in order to prove the validity of the analytic results, but also due to the fact that the study of the reflection process is not precise enough when using analytic equations, a Monte Carlo Ray Trace model has been developed. The developed code is designed specifically for linear Fresnel collectors, which has reduced the computing time by several orders of magnitude compared to a wider commercial software. This justifies the development of the new code. The model has been first used to compare radiation flux intensities and efficiencies of linear Fresnel collectors, both multitube receiver and secondary reflector receiver technologies, with parabolic trough collectors. Finally, the results obtained in the analytic study together with the numeric model have used in order to optimize the solar field for different orientations –North-South and East-West–, different locations –Almería and Aswan–, different tilts of the field towards the Tropic –from 0 deg to 32 deg– and different flux intensity minimum requirements –10 kW/m2 and 25 kW/m2. This thesis work has led to several important findings that should be considered in the design of Fresnel solar fields. First, flat mirrors should not be used in any case, as cylindrical and parabolic mirrors lead to higher flux intensities and efficiencies. Second, it has been concluded that, in locations relatively far from the Tropics such as Almería, East-West embodiments are more efficient, while in Aswan North- South orientation leads to a higher annual efficiency. It must be noted that East-West oriented solar fields require approximately half the number of mirrors than NS oriented fields, can be tilted towards the Equator in order to increase the efficiency and attain similar values of flux intensity at the receiver every day at midday. On the other hand, in NS embodiments the flux intensity is more even during each single day. Finally, it has been proved that the use of analytic designs with variable shift between mirrors and variable width of mirrors across the field can lead to improvements in the electricity generated per reflecting surface square meter up to 6%. The annual optical efficiency of parabolic troughs has been found to be 23% higher than the efficiency of Fresnel fields in Almería, but it is only around 9% higher in Aswan. This implies that, in order to attain the same levelized cost of electricity than parabolic troughs, the required reduction of installation costs per mirror square meter is in the range of 10-25%. Also, it is concluded that linear Fresnel collectors are more suitable for low latitude areas. As a consequence of the studies carried out in this thesis, an innovative storage system has been patented. This system takes into account the variation of the flux intensity along the day, especially for East-West oriented solar fields. As a result, the invention would allow to exploit the impinging radiation along longer time every day, increasing appreciably the optical and thermal efficiencies.

Server power modeling for run-time energy optimization of cloud computing facilities

As advanced Cloud services are becoming mainstream, the contribution of data centers in the overall power consumption of modern cities is growing dramatically. The average consumption of a single data center is equivalent to the energy consumption of 25.000 households. Modeling the power consumption for these infrastructures is crucial to anticipate the effects of aggressive optimization policies, but accurate and fast power modeling is a complex challenge for high-end servers not yet satisfied by analytical approaches. This work proposes an automatic method, based on Multi-Objective Particle Swarm Optimization, for the identification of power models of enterprise servers in Cloud data centers. Our approach, as opposed to previous procedures, does not only consider the workload consolidation for deriving the power model, but also incorporates other non traditional factors like the static power consumption and its dependence with temperature. Our experimental results shows that we reach slightly better models than classical approaches, but simul- taneously simplifying the power model structure and thus the numbers of sensors needed, which is very promising for a short-term energy prediction. This work, validated with real Cloud applications, broadens the possibilities to derive efficient energy saving techniques for Cloud facilities.

Integral energy behaviour of photovoltaic semi-transparent glazing elements for building integration

La hipótesis general que esta tesis quiere demostrar es que la integración arquitectónica de sistemas fotovoltaicos semitransparentes (STPV) puede contribuir a mejorar la eficiencia energética de los edificios. Por lo tanto, la investigación se centra en el desarrollo de una metodología capaz de cuantificar la reducción de la demanda energética del edificio proporcionada por estas novedosas soluciones constructivas. Al mismo tiempo, los parámetros de diseño de las soluciones STPV se han analizado para establecer cuales presentan el mayor impacto sobre el balance energético global del edificio y por lo tanto tienen que ser cuidadosamente definidos a la hora de optimizar el comportamiento energético del mismo. A la luz de estos objetivos, la metodología de estudio se ha centrado en tres puntos principales:  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones de operación realistas, similares a las que se darían en un sistema real;  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones controladas, con el objetivo de estudiar la variación del comportamiento del los elementos en función de parámetro de diseño y operación;  Evaluar el potencial de ahorro energético global de los sistemas STPV en comparación con soluciones acristaladas convencionales al variar de las condiciones de contorno constituidas por los parámetros de diseño (como el grado de transparencia), las características arquitectónicas (como el ratio entre superficie acristalada y superficie opaca en la fachada del edificio) y las condiciones climáticas (cubriendo en particular la climatología europea). En síntesis, este trabajo intenta contribuir a comprender la interacción que existe entre los sistemas STPV y el edificio, proporcionando tanto a los fabricantes de los componentes como a los profesionales de la construcción información valiosa sobre el potencial de ahorro energético asociado a estos nuevos sistemas constructivos. Asimismo el estudio define los parámetros de diseño adecuados para lograr soluciones eficientes tanto en proyectos nuevos como de rehabilitación. ABSTRACT The general hypothesis this work seeks to demonstrate is that the architectural integration of Semi-Transparent Photovoltaic (STPV) systems can contribute to improving the energy efficiency of buildings. Accordingly, the research has focused on developing a methodology able to quantify the building energy demand reduction provided by these novel constructive solutions. At the same time, the design parameters of the STPV solution have been analysed to establish which of them have the greatest impact on the global energy balance of the building, and therefore which have to be carefully defined in order to optimize the building operation. In the light of these goals, the study methodology has focused on three main points:  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in realistic operating conditions, similar to those in which a real system will operate;  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in controlled conditions in order to study how the performance varies depending on the design and operating parameters;  To assess the global energy saving potential of STPV systems in comparison with conventional glazing solutions by varying the boundary conditions, including design parameters (such as the degree of transparency), architectural characteristics (such as the Window to Wall Ratio) and climatic conditions (covering the European climatic conditions). In summary, this work has sought to contribute to the understanding of the interaction between STPV systems and the building, providing both components manufacturers and construction technicians, valuable information on the energy savings potential of these new construction systems and defining the appropriate design parameters to achieve efficient solutions in both new and retrofitting projects.

Energy rehabilitation of social housing for rent, as demonstrator in the LIFE 'New4Old' Project

The main goal of the cofounded by the European Commission LIFE Project, New4Old (LIFE10 ENV/ES/439), is to define the most appropriate method and the best available practice in social housing rehabilitation with energy and environmental sustainability criteria, as well as to apply innovative technologies in the fight against climate change through an efficient use of resources and energy. The institutions involved in the Project are the Technological Centre AITEMIN, Madrid Polytechnic University (UPM), Portugal Technological Centre for Ceramics and Glass (CTCV) and the Zaragoza City Housing Society (SMZV). The demonstrator project consists in the energy rehabilitation of a rental social housing building located in Zaragoza?s historic quarter, according to the conclusions and strategies developed for the LIFE project. In actions taken in households of this nature passive design strategies are essential due to the limited income of owners, who often cannot afford energy bills. Therefore, the proposed actions will help improve the building?s passive performance and reach a higher thermal comfort, without increasing the economic cost linked to energy consumption.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Development of a fuzzy control based self-adaptive system for energy saving in constrained networks for the Internet of Things

Las redes del futuro, incluyendo las redes de próxima generación, tienen entre sus objetivos de diseño el control sobre el consumo de energía y la conectividad de la red. Estos objetivos cobran especial relevancia cuando hablamos de redes con capacidades limitadas, como es el caso de las redes de sensores inalámbricos (WSN por sus siglas en inglés). Estas redes se caracterizan por estar formadas por dispositivos de baja o muy baja capacidad de proceso y por depender de baterías para su alimentación. Por tanto la optimización de la energía consumida se hace muy importante. Son muchas las propuestas que se han realizado para optimizar el consumo de energía en este tipo de redes. Quizás las más conocidas son las que se basan en la planificación coordinada de periodos de actividad e inactividad, siendo una de las formas más eficaces para extender el tiempo de vida de las baterías. La propuesta que se presenta en este trabajo se basa en el control de la conectividad mediante una aproximación probabilística. La idea subyacente es que se puede esperar que una red mantenga la conectividad si todos sus nodos tienen al menos un número determinado de vecinos. Empleando algún mecanismo que mantenga ese número, se espera que se pueda mantener la conectividad con un consumo energético menor que si se empleara una potencia de transmisión fija que garantizara una conectividad similar. Para que el mecanismo sea eficiente debe tener la menor huella posible en los dispositivos donde se vaya a emplear. Por eso se propone el uso de un sistema auto-adaptativo basado en control mediante lógica borrosa. En este trabajo se ha diseñado e implementado el sistema descrito, y se ha probado en un despliegue real confirmando que efectivamente existen configuraciones posibles que permiten mantener la conectividad ahorrando energía con respecto al uso de una potencia de transmisión fija. ABSTRACT. Among the design goals for future networks, including next generation networks, we can find the energy consumption and the connectivity. These two goals are of special relevance when dealing with constrained networks. That is the case of Wireless Sensors Networks (WSN). These networks consist of devices with low or very low processing capabilities. They also depend on batteries for their operation. Thus energy optimization becomes a very important issue. Several proposals have been made for optimizing the energy consumption in this kind of networks. Perhaps the best known are those based on the coordinated planning of active and sleep intervals. They are indeed one of the most effective ways to extend the lifetime of the batteries. The proposal presented in this work uses a probabilistic approach to control the connectivity of a network. The underlying idea is that it is highly probable that the network will have a good connectivity if all the nodes have a minimum number of neighbors. By using some mechanism to reach that number, we hope that we can preserve the connectivity with a lower energy consumption compared to the required one if a fixed transmission power is used to achieve a similar connectivity. The mechanism must have the smallest footprint possible on the devices being used in order to be efficient. Therefore a fuzzy control based self-adaptive system is proposed. This work includes the design and implementation of the described system. It also has been validated in a real scenario deployment. We have obtained results supporting that there exist configurations where it is possible to get a good connectivity saving energy when compared to the use of a fixed transmission power for a similar connectivity.

Study of OLSR protocol with Network Simulator 2 over Linux

Until a few years ago, most of the network communications were based in the wire as the physical media, but due to the advances and the maturity of the wireless communications, this is changing. Nowadays wireless communications offers fast, secure, efficient and reliable connections. Mobile communications are in expansion, clearly driven by the use of smart phones and other mobile devices, the use of laptops, etc… Besides that point, the inversion in the installation and maintenance of the physical medium is much lower than in wired communications, not only because the air has no cost, but because the installation and maintenance of the wire require a high economic cost. Besides the economic cost we find that wire is a more vulnerable medium to external threats such as noise, sabotages, etc… There are two different types of wireless networks: those which the structure is part of the network itself and those which have a lack of structure or any centralization, in a way that the devices that form part of the network can connect themselves in a dynamic and random way, handling also the routing of every control and information messages, this kind of networks is known as Ad-hoc. In the present work we will proceed to study one of the multiple wireless protocols that allows mobile communications, it is Optimized Link State Routing, from now on, OLSR, it is an pro-active routing, standard mechanism that works in a distributed in order to stablish the connections among the different nodes that belong to a wireless network. Thanks to this protocol it is possible to get all the routing tables in all the devices correctly updated every moment through the periodical transmission of control messages and on this way allow a complete connectivity among the devices that are part of the network and also, allow access to other external networks such as virtual private networks o Internet. This protocol could be perfectly used in environments such as airports, malls, etc… The update of the routing tables in all the devices is got thanks to the periodical transmission of control messages and finally it will offer connectivity among all the devices and the corresponding external networks. For the study of OLSR protocol we will have the help of the network simulator “Network Simulator 2”, a freeware network simulator programmed in C++ based in discrete events. This simulator is used mainly in educational and research environments and allows a very extensive range of protocols, both, wired networks protocols and wireless network protocols, what is going to be really useful to proceed to the simulation of different configurations of networks and protocols. In the present work we will also study different simulations with Network Simulator 2, in different scenarios with different configurations, wired networks, and Ad-hoc networks, where we will study OLSR Protocol. RESUMEN. Hasta hace pocos años, la mayoría de las comunicaciones de red estaban basadas en el cable como medio físico pero debido al avance y madurez alcanzados en el campo de las comunicaciones inalámbricas esto está cambiando. Hoy día las comunicaciones inalámbricas nos ofrecen conexiones veloces, seguras, eficientes y fiables. Las comunicaciones móviles se encuentran en su momento de máxima expansión, claramente impulsadas por el uso de teléfonos y demás dispositivos móviles, el uso de portátiles, etc… Además la inversión a realizar en la instalación y el mantenimiento del medio físico en las comunicaciones móviles es muchísimo menor que en comunicaciones por cable, ya no sólo porque el aire no tenga coste alguno, sino porque la instalación y mantenimiento del cable precisan de un elevado coste económico por norma. Además del coste económico nos encontramos con que es un medio más vulnerable a amenazas externas tales como el ruido, escuchas no autorizadas, sabotajes, etc… Existen dos tipos de redes inalámbricas: las constituidas por una infraestructura que forma parte más o menos de la misma y las que carecen de estructura o centralización alguna, de modo que los dispositivos que forman parte de ella pueden conectarse de manera dinámica y arbitraria entre ellos, encargándose además del encaminamiento de todos los mensajes de control e información, a este tipo de redes se las conoce como redes Ad-hoc. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se procederá al estudio de uno de los múltiples protocolos inalámbricos que permiten comunicaciones móviles, se trata del protocolo inalámbrico Optimized Link State Routing, de ahora en adelante OLSR, un mecanismo estándar de enrutamiento pro-activo, que trabaja de manera distribuida para establecer las conexiones entre los nodos que formen parte de las redes inalámbricas Ad-hoc, las cuales carecen de un nodo central y de una infraestructura pre-existente. Gracias a este protocolo es posible conseguir que todos los equipos mantengan en todo momento las tablas de ruta actualizadas correctamente mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así permitir una completa conectividad entre todos los equipos que formen parte de la red y, a su vez, también permitir el acceso a otras redes externas tales como redes privadas virtuales o Internet. Este protocolo sería usado en entornos tales como aeropuertos La actualización de las tablas de enrutamiento de todos los equipos se conseguirá mediante la transmisión periódica de mensajes de control y así finalmente se podrá permitir conectividad entre todos los equipos y con las correspondientes redes externas. Para el estudio del protocolo OLSR contaremos con el simulador de redes Network Simulator 2, un simulador de redes freeware programado en C++ basado en eventos discretos. Este simulador es usado principalmente en ambientes educativos y de investigación y permite la simulación tanto de protocolos unicast como multicast. El campo donde más se utiliza es precisamente en el de la investigación de redes móviles Ad-hoc. El simulador Network Simulator 2 no sólo implementa el protocolo OLSR, sino que éste implementa una amplia gama de protocolos, tanto de redes cableadas como de redes inalámbricas, lo cual va a sernos de gran utilidad para proceder a la simulación de distintas configuraciones de redes y protocolos. En el presente Proyecto de Fin de Carrera se estudiarán también diversas simulaciones con el simulador NS2 en diferentes escenarios con diversas configuraciones; redes cableadas, redes inalámbricas Ad-hoc, donde se estudiará el protocolo antes mencionado: OLSR. Este Proyecto de Fin de Carrera consta de cuatro apartados distintos: Primeramente se realizará el estudio completo del protocolo OLSR, se verán los beneficios y contrapartidas que ofrece este protocolo inalámbrico. También se verán los distintos tipos de mensajes existentes en este protocolo y unos pequeños ejemplos del funcionamiento del protocolo OLSR. Seguidamente se hará una pequeña introducción al simulador de redes Network Simulator 2, veremos la historia de este simulador, y también se hará referencia a la herramienta extra NAM, la cual nos permitirá visualizar el intercambio de paquetes que se produce entre los diferentes dispositivos de nuestras simulaciones de forma intuitiva y amigable. Se hará mención a la plataforma MASIMUM, encargada de facilitar en un entorno académico software y documentación a sus alumnos con el fin de facilitarles la investigación y la simulación de redes y sensores Ad-hoc. Finalmente se verán dos ejemplos, uno en el que se realizará una simulación entre dos PCs en un entorno Ethernet y otro ejemplo en el que se realizará una simulación inalámbrica entre cinco dispositivos móviles mediante el protocolo a estudiar, OLSR.

Efficient exchange of the primary quinone acceptor QA in isolated reaction centers of Rhodopseudomonas viridis

A key step in the conversion of solar energy into chemical energy by photosynthetic reaction centers (RCs) occurs at the level of the two quinones, QA and QB, where electron transfer couples to proton transfer. A great deal of our understanding of the mechanisms of these coupled reactions relies on the seminal work of Okamura et al. [Okamura, M. Y., Isaacson, R. A., & Feher, G. (1975) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88, 3491–3495], who were able to extract with detergents the firmly bound ubiquinone QA from the RC of Rhodobacter sphaeroides and reconstitute the site with extraneous quinones. Up to now a comparable protocol was lacking for the RC of Rhodopseudomonas viridis despite the fact that its QA site, which contains 2-methyl-3-nonaprenyl-1,4-naphthoquinone (menaquinone-9), has provided the best x-ray structure available. Fourier transform infrared difference spectroscopy, together with the use of isotopically labeled quinones, can probe the interaction of QA with the RC protein. We establish that a simple incubation procedure of isolated RCs of Rp. viridis with an excess of extraneous quinone allows the menaquinone-9 in the QA site to be almost quantitatively replaced either by vitamin K1, a close analogue of menaquinone-9, or by ubiquinone. To our knowledge, this is the first report of quinone exchange in bacterial photosynthesis. The Fourier transform infrared data on the quinone and semiquinone vibrations show a close similarity in the bonding interactions of vitamin K1 with the protein at the QA site of Rp. viridis and Rb. sphaeroides, whereas for ubiquinone these interactions are significantly different. The results are interpreted in terms of slightly inequivalent quinone–protein interactions by comparison with the crystallographic data available for the QA site of the two RCs.

Energy transfer to a proton-transfer fluorescence probe: Tryptophan to a flavonol in human serum albumin

A protein fluorescence probe system, coupling excited-state intermolecular Förster energy transfer and intramolecular proton transfer (PT), is presented. As an energy donor for this system, we used tryptophan, which transfers its excitation energy to 3-hydroxyflavone (3-HF) as a flavonol prototype, an acceptor exhibiting excited-state intramolecular PT. We demonstrate such a coupling in human serum albumin–3-HF complexes, excited via the single intrinsic tryptophan (Trp-214). Besides the PT tautomer fluorescence (λmax = 526 nm), these protein–probe complexes exhibit a 3-HF anion emission (λmax = 500 nm). Analysis of spectroscopic data leads to the conclusion that two binding sites are involved in the human serum albumin–3-HF interaction. The 3-HF molecule bound in the higher affinity binding site, located in the IIIA subdomain, has the association constant (k1) of 7.2 × 105 M−1 and predominantly exists as an anion. The lower affinity site (k2 = 2.5 × 105 M−1), situated in the IIA subdomain, is occupied by the neutral form of 3-HF (normal tautomer). Since Trp-214 is situated in the immediate vicinity of the 3-HF normal tautomer bound in the IIA subdomain, the intermolecular energy transfer for this donor/acceptor pair has a 100% efficiency and is followed by the PT tautomer fluorescence. Intermolecular energy transfer from the Trp-214 to the 3-HF anion bound in the IIIA subdomain is less efficient and has the rate of 1.61 × 108 s−1, thus giving for the donor/acceptor distance a value of 25.5 Å.

TAT peptide on the surface of liposomes affords their efficient intracellular delivery even at low temperature and in the presence of metabolic inhibitors

To achieve an efficient intracellular drug and DNA delivery, attempts were made to target microparticulate drug carriers into cytoplasm bypassing the endocytotic pathway. TAT peptides derived from the HIV-1 TAT protein facilitate intracellular delivery of proteins and small colloidal particles. We demonstrated that relatively large drug carriers, such as 200-nm liposomes, can also be delivered into cells by TAT peptide attached to the liposome surface. Liposomes were fluorescently labeled with membranotropic rhodamine-phosphatidylethanolamine or by entrapping FITC-dextran. Incubation of fluorescent TAT liposomes with mouse Lewis lung carcinoma cells, human breast tumor BT20 cells, and rat cardiac myocyte H9C2 results in intracellular localization of certain liposomes. Steric hindrances for TAT peptide⋅cell interaction (attachment of TAT directly to the liposome surface without spacer or the presence of a high MW polyethylene glycol on the liposome surface) abolish liposome internalization, evidencing the importance of direct contact of TAT peptide with the cell surface. Low temperature or metabolic inhibitors, sodium azide or iodoacetamide, have little influence on the translocation of TAT liposomes into cells, confirming the energy-independent character of this process. The approach may have important implications for drug delivery directly into cell cytoplasm.

Forced evolution of glutathione S-transferase to create a more efficient drug detoxication enzyme.

Glutathione S-transferases (EC 2.5.1.18) in mammalian cells catalyze the conjugation, and thus, the detoxication of a structurally diverse group of electrophilic environmental carcinogens and alkylating drugs, including the antineoplastic nitrogen mustards. We proposed that structural alteration of the nonspecific electrophile-binding site would produce mutant enzymes with increased efficiency for detoxication of a single drug and that these mutants could serve as useful somatic transgenes to protect healthy human cells against single alkylating agents used in cancer chemotherapy protocols. Random mutagenesis of three regions (residues 9-14, 102-112, and 210-220), which together compose the glutathione S-transferase electrophile-binding site, followed by selection of Escherichia coli expressing the enzyme library with the nitrogen mustard mechlorethamine (20-500 microM), yielded mutant enzymes that showed significant improvement in catalytic efficiency for mechlorethamine conjugation (up to 15-fold increase in kcat and up to 6-fold increase in kcat/Km) and that confer up to 31-fold resistance, which is 9-fold greater drug resistance than that conferred by the wild-type enzyme. The results suggest a general strategy for modification of drug- and carcinogen-metabolizing enzymes to achieve desired resistance in both prokaryotic and eukaryotic plant and animal cells.

Sustainable Energy Plan for a Small Island Economy: St. Vincent & the Grenadines

This paper defines a sustainable energy plan to provide the basis for renewable energy initiatives that will increase energy security, reduce negative economic impacts and provide a cleaner environment. The hotel, agriculture, transportation, construction, utility, government and private sectors will play pivotal roles in achieving targets and will see significant gains. Government policies, educational campaigns and financial incentives will be required to facilitate and encourage renewable energy development and entrepreneurship. Utilization of solar energy, energy conservation measures and the use of efficient and alternative fuel vehicles by the commercial/industrial and private sectors will be crucial in meeting targets. The utility company will be charged with developing large scale renewable energy applications and with improving efficiency of the electrical system.