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.

A cyber-physical approach to combined HW-SW monitoring for improving energy efficiency in data centers

High-Performance Computing, Cloud computing and next-generation applications such e-Health or Smart Cities have dramatically increased the computational demand of Data Centers. The huge energy consumption, increasing levels of CO2 and the economic costs of these facilities represent a challenge for industry and researchers alike. Recent research trends propose the usage of holistic optimization techniques to jointly minimize Data Center computational and cooling costs from a multilevel perspective. This paper presents an analysis on the parameters needed to integrate the Data Center in a holistic optimization framework and leverages the usage of Cyber-Physical systems to gather workload, server and environmental data via software techniques and by deploying a non-intrusive Wireless Sensor Net- work (WSN). This solution tackles data sampling, retrieval and storage from a reconfigurable perspective, reducing the amount of data generated for optimization by a 68% without information loss, doubling the lifetime of the WSN nodes and allowing runtime energy minimization techniques in a real scenario.

Correlación de medidas de diversos sistemas de sensores inalámbricos a través del uso de smartphone

Este Proyecto Fin de Grado se centra en la definición de unos interfaces y el desarrollo de unos módulos que los ofrezcan y que permitan desarrollar un sistema para Smartphone mediante el que se puedan obtener medidas tanto de dispositivos biométricos como de una red inalámbrica de sensores (WSN – Wireless Sensor Network). Estos dos tipos de medidas deben poder ser mostradas de manera que se observe gráficamente su correlación espacio-temporal. Por tanto, estos interfaces ofrecen, principalmente, la posibilidad de gestionar un número indeterminado de dispositivos biométricos y tomar medidas de ellos, además de mecanismos de almacenamiento para dichas medidas. También existe la posibilidad de crear una representación gráfica de dichas medidas. Por último, se desarrolla un interfaz para obtener información proveniente de una red de sensores inalámbricos instalada en un determinado entorno en el cual el usuario estará realizando sus propias medidas. Además, se lleva a cabo la creación de la aplicación comentada, que hace uso de las interfaces especificadas, para realizar la correlación de las medidas. La aplicación permite al usuario mantener una lista de dispositivos, pudiendo consultar los parámetros de configuración de los mismos y tomar las medidas de aquellos que desee. Podrá visualizar en todo momento las medidas que se van realizando, y, por último, podrá representarlas gráficamente en pantalla. Los interfaces están creados de forma que sean flexibles de modo que puedan añadirse nuevas funciones en un futuro y permitan ser utilizados para diferentes aplicaciones. Los módulos que ofrecen estos interfaces están desarrollados para cumplir todas las funcionalidades que esperamos llevar a cabo en la aplicación creada. ABSTRACT. This Final Degree Project is focused on the definition of a set of interfaces, together with the implementation of the modules that comply with them, with the aim of creating a smartphone-based system to obtain measurements from both biometric devices and a wireless sensor network (WSN). These two types of measurements have to be graphically shown in order to observe their spatial and temporal correlation. Thus, the main purpose of the aforementioned interfaces is to manage an indeterminate number of biometric devices in order to obtain and store the measurements provided by them. There is also the possibility of creating a graphical representation of the data. In addition to all this, an interface has been developed for obtaining the information coming from a wireless sensor network deployed in the area where the user is taking his/her measurements. Also as part of the work performed, the smartphone application that utilizes the specified interfaces has been implemented, in order to actually perform the measurements correlation. This application allows the user to maintain the biometric devices list and control their configuration, including the activation of the measurements taking process. These data can be visualized anytime and, moreover, they can be represented graphically in the smartphone screen. The design of the interfaces is flexible in the sense that new functionality may be easily added to them in the future and new applications with different purposes may make use of them. The modules implemented as part of this Final Degree Project have been developed in order to comply with all the requirements of the smartphone system described above.

Sistemas de gestión de sensores mediante tecnologías M2M

En el proyecto se lleva a cabo un estudio práctico sobre dos escenarios donde intervienen dispositivos relacionados con el Internet de las cosas. También se puede situar como una solución de comunicación M2M. Comunicación máquina a máquina implica un sistema central que es capaz de conectarse con otros sistemas en varios lugares. La conexión permite que el sistema central recoja o envíe datos a cada lugar remoto para su procesamiento. El primer escenario consta de la configuración y montaje de un microcontrolador conocido como Waspmote que se encarga de recoger variables atmosféricas gracias a un conjunto de sensores y enviar los datos a un router multiprotocolo Meshlium mediante tecnología Zigbee, un tipo de red orientada a redes de sensores. Este montaje tiene como fin instalar una estación meteorológica en el campus de la universidad y poder almacenar y administrar sus datos. La segunda parte dos dispositivos de hardware libre como son un Arduino con capacidad GPRS y una RaspberryPi conectada a la red cableada enviaran datos por ejemplo de temperatura y luminosidad a una red social de sensores conocida como Xively, gestionaremos nuestros dispositivos sobre esta plataforma gratuita, que nos permite dar de alta dispositivos, almacenar y representar los datos en tiempo real y consultarlos vía Web o mediante una aplicación móvil realizada para este caso por medio de funciones ofrecidas por Xively. He diseñado una aplicación Android que permite la consulta de datos y administración de sensores por un usuario, intenta abstraer al usuario de la complejidad técnica y acercar los objetos conectados, en este caso sensores. Se han detallado las configuraciones y el proceso de instalación de todos los dispositivos. Se explican conceptos para entender las tecnologías de comunicación, Zigbee y Http, este protocolo participara a nivel de aplicación realizando peticiones o enviando datos, administrando la capacidad y por tanto ahorro. ABSTRACT. The project takes a practical study on two scenarios which involved related to the Internet of Things devices. It can also be placed as a M2M communication solution. Machine to machine communication involves a central system that is able to connect with other systems in several places. The connection allows the central system to collect or send data to each remote location for processing. The first stage consists of the configuration and setup of a microcontroller known as Waspmote which is responsible to collect atmospheric variables by a set of sensors and send the data to a multiprotocol router Meshlium by Zigbee technology, a type of sensor networks oriented network. This assembly aims to set up a weather station on the campus of the university and to store and manage their data. The second part two devices free hardware like Arduino with GPRS capacity and RaspberryPi connected to the wired network send data, temperature and luminosity to a social network of sensors known as Xively, manage our devices on this free platform, which allows us to register devices, store and display data in real time and consult the web or through a mobile application on this case by means of functions offered by Xively. I have designed an Android application that allows data consultation and management of sensors by a user, the user tries to abstract the technical complexity and bring the connected objects, in this case sensors. Were detailed settings and the installation of all devices. Concepts are explained to understand communication technologies, Zigbee and Http, this protocol participate performing application-level requests or sending data, managing capacity and therefore savings.

Integración de SSN con una ontología de servicios

Los servicios en red que conocemos actualmente están basados en documentos y enlaces de hipertexto que los relacionan entre sí sin aportar verdadera información acerca de los contenidos que representan. Podría decirse que se trata de “una red diseñada por personas para ser interpretada por personas”. El objetivo principal de los últimos años es encaminar esta red hacia una web de conocimiento, en la que la información pueda ser interpretada por agentes computerizados de manera automática. Para llevar a cabo esta transformación es necesaria la utilización de nuevas tecnologías especialmente diseñadas para la descripción de contenidos como son las ontologías. Si bien las redes convencionales están evolucionando, no son las únicas que lo están haciendo. El rápido crecimiento de las redes de sensores y el importante aumento en el número de dispositivos conectados a internet, hace necesaria la incorporación de tecnologías de la web semántica a este tipo de redes. Para la realización de este Proyecto de Fin de Carrera se utilizará la ontología SSN, diseñada para la descripción semántica de sensores y las redes de las que forman parte con el fin de permitir una mejor interacción entre los dispositivos y los sistemas que hacen uso de ellos. El trabajo desarrollado a lo largo de este Proyecto de Fin de Carrera gira en torno a esta ontología, siendo el principal objetivo la generación semiautomática de código a partir de un modelo de sistemas descrito en función de las clases y propiedades proporcionadas por SSN. Para alcanzar este fin se dividirá el proyecto en varias partes. Primero se realizará un análisis de la ontología mencionada. A continuación se describirá un sistema simulado de sensores y por último se implementarán las aplicaciones para la generación automática de interfaces y la representación gráfica de los dispositivos del sistema a partir de la representación del éste en un fichero de tipo OWL. ABSTRACT. The web we know today is based on documents and hypertext links that relate these documents with each another, without providing consistent information about the contents they represent. It could be said that its a network designed by people to be used by people. The main goal of the last couple of years is to guide this network into a web of knowledge, where information can be automatically processed by machines. This transformation, requires the use of new technologies specially designed for content description such as ontologies. Nowadays, conventional networks are not the only type of networks evolving. The use of sensor networks and the number of sensor devices connected to the Internet is rapidly increasing, making the use the integration of semantic web technologies to this kind of networks completely necessary. The SSN ontology will be used for the development of this Final Degree Dissertation. This ontology was design to semantically describe sensors and the networks theyre part of, allowing a better interaction between devices and the systems that use them. The development carried through this Final Degree Dissertation revolves around this ontology and aims to achieve semiautomatic code generation starting from a system model described based on classes and properties provided by SSN. To reach this goal, de Dissertation will be divided in several parts. First, an analysis about the mentioned ontology will be made. Following this, a simulated sensor system will be described, and finally, the implementation of the applications will take place. One of these applications will automatically generate de interfaces and the other one will graphically represents the devices in the sensor system, making use of the system representation in an OWL file.

Caracterización no destructiva del proceso de curado en materiales cementicios

La calidad del hormigón prefabricado se determina mediante ensayos de rotura a compresión en probetas transcurridos los 28 días de curado, según establece la EHE-08. Sin embargo, en la plantas de prefabricados es necesario además saber cuándo el hormigón está listo para ser procesado (destensado, cortado, trasladado), por lo que es necesario hacer ensayos de resistencia a la compresión entre las 48 y 72 horas, este tiempo se determina a partir de la experiencia previa adquirida y depende de las condiciones de cada planta. Si las probetas no han alcanzado el valor establecido, normalmente debido a un cambio en las condiciones climatológicas o en los materiales utilizados como el tipo de cemento o agregados, la solución adoptada suele ser dejar curar el material más horas en la pista para que alcance la resistencia necesaria para ser procesado. Si sigue sin alcanzarla, lo cual sucede muy ocasionalmente, se intenta analizar cuál ha sido el motivo, pudiéndose tirar toda la producción de ese día si se comprueba que ha sido un fallo en la fabricación de la línea, y no un fallo de la probeta. Por tanto, esta metodología de control de calidad, basada en técnicas destructivas, supone dos tipos de problemas, costes y representatividad. Los métodos no destructivos que más se han aplicado para caracterizar el proceso de curado del hormigón son los ultrasónicos y la medida de la temperatura como se recoge en la bibliografía consultada. Hay diferentes modelos que permiten establecer una relación entre la temperatura y el tiempo de curado para estimar la resistencia a compresión del material, y entre la velocidad de propagación ultrasónica y la resistencia. Aunque estas relaciones no son generales, se han obtenido muy buenos resultados, ejemplo de ello es el modelo basado en la temperatura, Maturity Method, que forma parte de la norma de la ASTM C 1074 y en el mercado hay disponibles equipos comerciales (maturity meters) para medir el curado del hormigón. Además, es posible diseñar sistemas de medida de estos dos parámetros económicos y robustos; por lo cual es viable la realización de una metodología para el control de calidad del curado que pueda ser implantado en las plantas de producción de prefabricado. En este trabajo se ha desarrollado una metodología que permite estimar la resistencia a la compresión del hormigón durante el curado, la cual consta de un procedimiento para el control de calidad del prefabricado y un sistema inalámbrico de sensores para la medida de la temperatura y la velocidad ultrasónica. El procedimiento para el control de calidad permite realizar una predicción de la resistencia a compresión a partir de un modelo basado en la temperatura de curado y otros dos basados en la velocidad, método de tiempo equivalente y método lineal. El sistema inalámbrico de sensores desarrollado, WilTempUS, integra en el mismo dispositivo sensores de temperatura, humedad relativa y ultrasonidos. La validación experimental se ha realizado mediante monitorizaciones en probetas y en las líneas de prefabricados. Los resultados obtenidos con los modelos de estimación y el sistema de medida desarrollado muestran que es posible predecir la resistencia en prefabricados de hormigón en planta con errores comparables a los aceptables por norma en los ensayos de resistencia a compresión en probetas. ABSTRACT Precast concrete quality is determined by compression tests breakage on specimens after 28 days of curing, as established EHE-08. However, in the precast plants is also necessary to know when the concrete is ready to be processed (slack, cut, moved), so it is necessary to test the compressive strength between 48 and 72 hours. This time is determined from prior experience and depends on the conditions of each plant. If the samples have not reached the set value, usually due to changes in the weather conditions or in the materials used as for example the type of cement or aggregates, the solution usually adopted is to cure the material on track during more time to reach the required strength for processing. If the material still does not reach this strength, which happens very occasionally, the reason of this behavior is analyzed , being able to throw the entire production of that day if there was a failure in the manufacturing line, not a failure of the specimen. Therefore, this method of quality control, using destructive techniques, involves two kinds of problems, costs and representativeness. The most used non-destructive methods to characterize the curing process of concrete are those based on ultrasonic and temperature measurement as stated in the literature. There are different models to establish a relationship between temperature and the curing time to estimate the compressive strength of the material, and between the ultrasonic propagation velocity and the compressive strength. Although these relationships are not general, they have been very successful, for example the Maturity Method is based on the temperature measurements. This method is part of the standards established in ASTM C 1074 and there are commercial equipments available (maturity meters) in the market to measure the concrete curing. Furthermore, it is possible to design inexpensive and robust systems to measure ultrasounds and temperature. Therefore is feasible to determine a method for quality control of curing to be implanted in the precast production plants. In this work, it has been developed a methodology which allows to estimate the compressive strength of concrete during its curing process. This methodology consists of a procedure for quality control of the precast concrete and a wireless sensor network to measure the temperature and ultrasonic velocity. The procedure for quality control allows to predict the compressive strength using a model based on the curing temperature and two other models based on ultrasonic velocity, the equivalent time method and the lineal one. The wireless sensor network, WilTempUS, integrates is the same device temperature, relative humidity and ultrasonic sensors. The experimental validation has been carried out in cubic specimens and in the production plants. The results obtained with the estimation models and the measurement system developed in this thesis show that it is possible to predict the strength in precast concrete plants with errors within the limits of the standards for testing compressive strength specimens.

RDSZ: an approach for lossless RDF stream compression

In many applications (like social or sensor networks) the in- formation generated can be represented as a continuous stream of RDF items, where each item describes an application event (social network post, sensor measurement, etc). In this paper we focus on compressing RDF streams. In particular, we propose an approach for lossless RDF stream compression, named RDSZ (RDF Differential Stream compressor based on Zlib). This approach takes advantage of the structural similarities among items in a stream by combining a differential item encoding mechanism with the general purpose stream compressor Zlib. Empirical evaluation using several RDF stream datasets shows that this combi- nation produces gains in compression ratios with respect to using Zlib alone.

Resource allocation in GMD and SVD-based MIMO System

Singular-value decomposition (SVD)-based multiple-input multiple output (MIMO) systems, where the whole MIMO channel is decomposed into a number of unequally weighted single-input single-output (SISO) channels, have attracted a lot of attention in the wireless community. The unequal weighting of the SISO channels has led to intensive research on bit- and power allocation even in MIMO channel situation with poor scattering conditions identified as the antennas correlation effect. In this situation, the unequal weighting of the SISO channels becomes even much stronger. In comparison to the SVD-assisted MIMO transmission, geometric mean decomposition (GMD)-based MIMO systems are able to compensate the drawback of weighted SISO channels when using SVD, where the decomposition result is nearly independent of the antennas correlation effect. The remaining interferences after the GMD-based signal processing can be easily removed by using dirty paper precoding as demonstrated in this work. Our results show that GMD-based MIMO transmission has the potential to significantly simplify the bit and power loading processes and outperforms the SVD-based MIMO transmission as long as the same QAM-constellation size is used on all equally-weighted SISO channels.

A Dynamically Adaptable Image Processing Application Trading Off Between High Performance, Consumption and Dependability in Real Time

As embedded systems evolve, problems inherent to technology become important limitations. In less than ten years, chips will exceed the maximum allowed power consumption affecting performance, since, even though the resources available per chip are increasing, frequency of operation has stalled. Besides, as the level of integration is increased, it is difficult to keep defect density under control, so new fault tolerant techniques are required. In this demo work, a new dynamically adaptable virtual architecture (ARTICo3) to allow dynamic and context-aware use of resources is implemented in a high performance Wireless Sensor node (HiReCookie) to perform an image processing application.

Power-Aware Multi-Objective Evolvable Hardware System on an FPGA

Dynamic and Partial Reconfiguration (DPR) allows a system to be able to modify certain parts of itself during run-time. This feature gives rise to the capability of evolution: changing parts of the configuration according to the online evaluation of performance or other parameters. The evolution is achieved through a bio-inspired model in which the features of the system are identified as genes. The objective of the evolution may not be a single one; in this work, power consumption is taken into consideration, together with the quality of filtering, as the measure of performance, of a noisy image. Pareto optimality is applied to the evolutionary process, in order to find a representative set of optimal solutions as for performance and power consumption. The main contributions of this paper are: implementing an evolvable system on a low-power Spartan-6 FPGA included in a Wireless Sensor Network node and, by enabling the availability of a real measure of power consumption at run-time, achieving the capability of multi-objective evolution, that yields different optimal configurations, among which the selected one will depend on the relative “weights” of performance and power consumption.

Eventual election of multiple leaders for solving consensus in anonymous systems

In classical distributed systems, each process has a unique identity. Today, new distributed systems have emerged where a unique identity is not always possible to be assigned to each process. For example, in many sensor networks a unique identity is not possible to be included in each device due to its small storage capacity, reduced computational power, or the huge number of devices to be identified. In these cases, we have to work with anonymous distributed systems where processes cannot be identified. Consensus cannot be solved in classical and anonymous asynchronous distributed systems where processes can crash. To bypass this impossibility result, failure detectors are added to these systems. It is known that ? is the weakest failure detector class for solving consensus in classical asynchronous systems when amajority of processes never crashes. Although A? was introduced as an anonymous version of ?, to find the weakest failure detector in anonymous systems to solve consensus when amajority of processes never crashes is nowadays an open question. Furthermore, A? has the important drawback that it is not implementable. Very recently, A? has been introduced as a counterpart of ? for anonymous systems. In this paper, we show that the A? failure detector class is strictly weaker than A? (i.e., A? provides less information about process crashes than A?). We also present in this paper the first implementation of A? (hence, we also show that A? is implementable), and, finally, we include the first implementation of consensus in anonymous asynchronous systems augmented with A? and where a majority of processes does not crash.

Herramienta Web para el modelado de consultas CEP (Complex Event Processing)

RESUMEN En los últimos años, debido al incremento en la demanda por parte de las empresas de tecnologías que posibiliten la monitorización y el análisis de un gran volumen de datos en tiempo real, la tecnología CEP (Complex Event Processing) ha surgido como una potencia en alza y su uso se ha incrementado notablemente en ciertos sectores como, por ejemplo, la gestión y automatización de procesos de negocios, finanzas, monitorización de redes y aplicaciones, así como redes de sensores inteligentes como el caso de estudio en el que nos centraremos. CEP se basa en un lenguaje de procesamiento de eventos (Event Processing Language,EPL) cuya utilización puede resultar bastante compleja para usuarios inexpertos. Esta complejidad supone un hándicap y, por lo tanto, un problema a la hora de que su uso se extienda. Este Proyecto Fin de Grado (PFG) pretende dar una solución a este problema, acercando al usuario la tecnología CEP mediante técnicas de abstracción y modelado. Para ello, este PFG ha definido un lenguaje de modelado específico dominio, sencillo e intuitivo para el usuario inexperto, al que se ha dado soporte mediante el desarrollo de una herramienta de modelado gráfico (CEP Modeler) en la que se pueden modelar consultas CEP de forma gráfica, sencilla y de manera más accesible para el usuario. ABSTRACT Over recent years, more and more companies demand technology for monitoring and analyzing a vast volume of data in real time. In this regard, the CEP technology (Complex Event Processing) has emerged as a novel approach to that end, and its use has increased dramatically in certain domains, such as, management and automation of business processes, finance, monitoring of networks and applications, as well as smart sensor networks as the case study in which we will focus. CEP is based on in the Event Processing Language (EPL). This language can be rather difficult to use for new users. This complexity can be a handicap, and therefore, a problem at the time of extending its use. This project aims to provide a solution to this problem, trying to approach the CEP technology to users through abstraction and modelling techniques. To that end, this project has defined an intuitive and simple domain-specific modelling language for new users through a web tool (CEP Modeler) for graphically modeling CEP queries, in an easier and more accessible way.

Enriquecimiento de fuentes de datos con descripciones lingüísticas mediante bases de datos geográficas externas

El presente trabajo se ha centrado en la investigación de soluciones para automatizar la tarea del enriquecimiento de fuentes de datos sobre redes de sensores con descripciones lingüísticas, con el fin de facilitar la posterior generación de textos en lenguaje natural. El uso de descripciones en lenguaje natural facilita el acceso a los datos a una mayor diversidad de usuarios y, como consecuencia, permite aprovechar mejor las inversiones en redes de sensores. En el trabajo se ha considerado el uso de bases de datos abiertas para abordar la necesidad de disponer de un gran volumen y diversidad de conocimiento geográfico. Se ha analizado también el enriquecimiento de datos dentro de enfoques metodológicos de curación de datos y métodos de generación de lenguaje natural. Como resultado del trabajo, se ha planteado un método general basado en una estrategia de generación y prueba que incluye una forma de representación y uso del conocimiento heurístico con varias etapas de razonamiento para la construcción de descripciones lingüísticas de enriquecimiento de datos. En la evaluación de la propuesta general se han manejado tres escenarios, dos de ellos para generación de referencias geográficas sobre redes de sensores complejas de dimensión real y otro para la generación de referencias temporales. Los resultados de la evaluación han mostrado la validez práctica de la propuesta general exhibiendo mejoras de rendimiento respecto a otros enfoques. Además, el análisis de los resultados ha permitido identificar y cuantificar el impacto previsible de diversas líneas de mejora en bases de datos abiertas. ABSTRACT This work has focused on the search for solutions to automate the task of enrichment sensor-network-based data sources with textual descriptions, so as to facilitate the generation of natural language texts. Using natural language descriptions facilitates data access to a wider range of users and, therefore, allows better leveraging investments in sensor networks. In this work we have considered the use of open databases to address the need for a large volume and diversity of geographical knowledge. We have also analyzed data enrichment in methodological approaches and data curation methods of natural language generation. As a result, it has raised a general method based on a strategy of generating and testing that includes a representation using heuristic knowledge with several stages of reasoning for the construction of linguistic descriptions of data enrichment. In assessing the overall proposal three scenarios have been addressed, two of them in the environmental domain with complex sensor networks and another real dimension in the time domain. The evaluation results have shown the validity and practicality of our proposal, showing performance improvements over other approaches. Furthermore, the analysis of the results has allowed identifying and quantifying the expected impact of various lines of improvement in open databases.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.

Análisis prospectivo del despliegue de redes de comunicaciones móviles LTE en nuevas bandas de frecuencia mediante el desarrollo de modelos tecnoeconómicos

El estándar LTE se ha posicionado como una de las claves para que los operadores de telecomunicación puedan abordar de manera eficiente en costes el crecimiento de la demanda de tráfico móvil que se prevé para los próximos años, al ser una tecnología más escalable en el núcleo de la red y más flexible en la interfaz radio que sus predecesoras. En este sentido, es necesario también que los reguladores garanticen un acceso al espectro radioeléctrico adecuado, equitativo y no discriminatorio, que permita un entorno estable para el despliegue de redes de comunicaciones móviles avanzadas. Además de la flexibilización del marco regulador del espectro radioeléctrico en Europa, que ha permitido el despliegue de nuevas tecnologías en las bandas de frecuencia históricas de GSM, se ha puesto a disposición espectro adicional para sistemas IMT en nuevas bandas de frecuencia, lo que ha planteando a su vez nuevos retos para la tecnología y la regulación. La fragmentación del espectro disponible para comunicaciones móviles ha impulsado el desarrollo de técnicas de agregación de portadoras en las nuevas versiones del estándar LTE, que permiten explotar mejor los recursos radio en su conjunto. No obstante, el espectro inferior a 1 GHz sigue siendo escaso, ya que el tráfico móvil aumenta y la banda de 900 MHz aún se utiliza para servicios GSM, lo que no ha conseguido sino agravar la disputa entre los servicios de radiodifusión terrestre y de comunicaciones móviles por la parte superior de la banda UHF. En concreto, la banda de 700 MHz se perfila como una de las próximas para aumentar el espectro disponible para los servicios en movilidad, si bien su liberación por parte de las actuales redes de Televisión Digital Terrestre presenta no pocas dificultades en los Estados miembros en los que ésta es la principal plataforma audiovisual de acceso gratuito, abriendo un debate sobre el modelo audiovisual a largo plazo en Europa. Por otro lado, las políticas públicas de promoción del acceso a la banda ancha rápida y ultrarrápida de la presente década han establecido objetivos ambiciosos para el año 2020, tanto en el ámbito europeo como en los diferentes Estados miembros. La universalización del acceso a redes de banda ancha de al menos 30 Mbps constituye uno de los principales retos. Las expectativas generadas por la tecnología LTE y la puesta a disposición de nuevas bandas de frecuencia hace posible que los servicios de acceso fijo inalámbrico adquieran especial relevancia ante los objetivos de política pública establecidos que, como ha sido reconocido en diversas ocasiones, no podrán lograrse sino con un compendio de diferente tecnologías. Para esta Tesis Doctoral se han desarrollado una serie modelos tecnoeconómicos con el objetivo de realizar un análisis prospectivo que evalúa tres casos de especial relevancia en el despliegue de redes LTE: en primer lugar, la valoración económica de la banda de 700 MHz; en segundo lugar, la evaluación de modelos de negocio y reducción de costes considerando tecnologías femtocelulares; y finalmente, la viabilidad de las redes LTE de acceso fijo inalámbrico para el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha de 30 Mbps. En relación con la aplicación del análisis tecnoeconómico para la valoración del espectro de 700 MHz, los resultados obtenidos ponen de manifiesto dos cuestiones fundamentales. En primer lugar, la necesidad de asignar a los operadores más espectro para satisfacer las previsiones de demanda de tráfico móvil a medio plazo. En segundo, existe una diferencia notable en los costes de despliegue de una red LTE cuando se dispone de espectro en frecuencias inferiores a 1 GHz y cuando no, pero esta diferencia de costes disminuye a medida que se añade nuevo espectro sub-1GHz. De esta manera, la atribución de la banda de 700 MHz a servicios de comunicaciones móviles supone una reducción relevante en los costes de despliegue si el operador no dispone de espectro en la banda de 800 MHz, pero no así si ya dispone de espectro en bandas bajas para el despliegue. En este sentido, puede concluirse que el precio que los operadores estarán dispuestos a pagar por el espectro de la banda de 700 MHz dependerá de si ya tienen disponible espectro en la banda de 800 MHz. Sin embargo, dado que la competencia por ese espectro será menor, los ingresos esperables en las licitaciones de esta nueva banda serán en general menores, a pesar de que para algunos operadores este espectro sería tan valioso como el de 800 MHz. En segundo lugar, en relación con el despliegue de femtoceldas pueden extraerse algunas conclusiones en términos de ahorro de costes de despliegue y también de cara a la viabilidad de los modelos de negocio que posibilitan. El ahorro que supone la introducción de femtoceldas en el despliegue de una red LTE frente al caso de un despliegue exclusivamente macrocelular se ha demostrado que es mayor cuanto menor es el ancho de banda disponible para la red macrocelular. En esta línea, para un operador convergente el despliegue de femtoceldas tiene sentido económico si el ancho de banda disponible es escaso (en torno a 2x10 MHz), que, en el caso de España, puede reflejar el caso de los operadores del segmento fijo que son nuevos entrantes en el móvil. Por otro lado, los modelos de acceso abierto son interesantes para operadores exclusivamente móviles, porque consiguen flexibilizar los costes sustituyendo estaciones base macrocelulares por el despliegue de femtoceldas, pero necesitan desplegarse en zonas con una densidad de población relativamente elevada para que éstas descarguen tráfico de varios usuarios de la red macrocelular simultáneamente. No obstante, las femtoceldas son beneficiosas en todo caso si es el usuario quien asume los costes de la femtocelda y el backhaul, lo que sólo parece probable si se integran en el modelo de negocio de comercialización de nuevos servicios. Por tanto, el despliegue de femtoceldas en buena parte de la casuística estudiada sólo tiene sentido si consiguen aumentar los ingresos por usuario comercializando servicios de valor añadido que necesiten calidad de servicio garantizada y exploten a la vez de esa forma su principal ventaja competitiva respecto a la tecnología WiFi. Finalmente, en relación con el papel de la tecnología LTE para la provisión de servicios de acceso fijo inalámbrico para la banda ancha de 30 Mbps, se ha desarrollado un modelo TD-LTE y mediante la metodología de análisis tecnoeconómico se ha realizado un estudio prospectivo para el caso de España. Los resultados obtenidos preciden una huella de cobertura de FTTH del 74% para 2020, y demuestran que una red TD-LTE en la banda de 3,5 GHz resulta viable para aumentar la cobertura de servicios de 30 Mbps en 14 puntos porcentuales. Junto con la consideración de la cobertura de otras redes, la cobertura de 30 Mbps de acuerdo a la viabilidad de los despliegues alcanzaría el 95% en España en el año 2020. Como resumen, los resultados obtenidos muestran en todos los casos la capacidad de la tecnología LTE para afrontar nuevos desafíos en relación con el aumento del tráfico móvil, especialmente crítico en las zonas más urbanas, y el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha rápida en las zonas más rurales. ABSTRACT The LTE standard has been pointed out as one of the keys for telecom operators to address the demand growth in mobile traffic foreseen for the next years in a cost-efficient way, since its core network is more scalable and its radio interface more flexible than those of its predecessor technologies. On the other hand, regulators need to guarantee an adequate, equitable and non-discriminatory access to radio spectrum, which enable a favorable environment for the deployment of advanced mobile communication networks. Despite the reform of the spectrum regulatory framework in Europe, which allowed for the deployment of new technologies in the historic GSM bands, additional spectrum has been allocated to IMT systems in new frequency bands, what in turn has set out new challenges for technology and regulation. The current fragmentation of available spectrum in very different frequency bands has boosted the development of carrier aggregation techniques in most recent releases of the LTE standard, which permit a better exploitation of radio resources as a whole. Nonetheless, spectrum below 1 GHz is still scarce for mobile networks, since mobile traffic increases at a more rapid pace than spectral efficiency and spectrum resources. The 900 MHz frequency band is still being used for GSM services, what has worsen the dispute between mobile communication services and terrestrial broadcasting services for the upper part of the UHF band. Concretely, the 700 MHz frequency band has been pointed out as one of the next bands to be allocated to mobile in order to increase available spectrum. However, its release by current Digital Terrestrial Television networks is challenging in Member States where it constitutes the main free access audiovisual platform, opening up a new debate around the audiovisual model in the long term in Europe. On the other hand, public policies of the present decade to promote fast and ultrafast broadband access has established very ambitious objectives for the year 2020, both at European and national levels. Universalization of 30 Mbps broadband access networks constitutes one of the main challenges. Expectations raised by LTE technology and the allocation of new frequency bands has lead fixed wireless access (FWA) services to acquire special relevance in light of public policy objectives, which will not be met but with a compendium of different technologies, as different involved stakeholders have acknowledged. This PhD Dissertation develops techno-economic models to carry out a prospective analysis for three cases of special relevance in LTE networks’ deployment: the spectrum pricing of the 700 MHz frequency band, an assessment of new business models and cost reduction considering femtocell technologies, and the feasibility of LTE fixed wireless access networks to close the 30 Mbps broadband access gap in rural areas. In the first place and regarding the application of techno-economic analysis for 700 MHz spectrum pricing, obtained results reveal two core issues. First of all, the need to allocate more spectrum for operators in order to fulfill mobile traffic demand in the mid-term. Secondly, there is a substantial difference in deployment costs for a LTE network when there is sub-1GHz spectrum available and when there is not, but this difference decreases as additional sub-1GHz spectrum is added. Thus, the allocation of 700 MHz band to mobile communication services would cause a relevant reduction in deployment costs if the operator does not count on spectrum in the 800 MHz, but not if it already has been assigned spectrum in low frequencies for the deployment. In this regard, the price operators will be willing to pay for 700 MHz spectrum will depend on them having already spectrum in the 800 MHz frequency band or not. However, since competition for the new spectrum will not be so strong, expected incomes from 700 MHz spectrum awards will be generally lower than those from the digital dividend, despite this spectrum being as valuable as 800 MHz spectrum for some operators. In the second place, regarding femtocell deployment, some conclusions can be drawn in terms of deployment cost savings and also with reference to the business model they enable. Savings provided by a joint macro-femto LTE network as compared to an exclusively macrocellular deployment increase as the available bandwidth for the macrocells decreases. Therefore, for a convergent operator the deployment of femtocells can only have economic sense if the available bandwidth is scarce (around 2x10 MHz), which might be the case of fix market operators which are new entrant in mobile market. Besides, open access models are interesting for exclusively mobile operators, since they make costs more flexible by substituting macrocell base stations by femtocells, but they need to be deployed relatively densely populated areas so that they can offload traffic from several macrocell users simultaneously. Nonetheless, femtocells are beneficial in all cases if the user assumes both femtocell and backhaul costs, which only seems probable if they are integrated in a business model commercializing new services. Therefore, in many of the cases analyzed femtocell deployment only makes sense if they increase revenues per user through new added value services which need from guaranteed quality of service, thus exploiting its main competitive advantage compared to WiFi. Finally, regarding the role of LTE technology in the provision of fixed wireless access services for 30 Mbps broadband, a TD-LTE model has been developed and a prospective study has been carried out through techno-economic methodology for the Spanish case. Obtained results foresee a FTTH coverage footprint of 74% households for 2020, and prove that a TD-LTE network in the 3.5 GHz band results feasible to increase 30 Mbps service coverage in additional 14 percentage points. To sum up, obtained results show LTE technology capability to address new challenges regarding both mobile traffic growth, particularly critical in urban zones, and the current digital divide in fast broadband access in most rural zones.