Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

Fundamentación del conjunto tractor-apero para la labor de surcado y su influencia en el consumo energético en cultivos de raíces y tubérculos

El cumplimiento de los objetivos agrotécnicos de los cultivos de raíces y tubérculos exige que la labor de surcado configure un caballón que permita el trabajo de los posteriores aperos que participan en las demás labores de cultivo. En la agricultura cubana se emplean diversos tipos de surcadores que difieren en las características de los elementos aporcadores. Este hecho afecta a la capacidad de trabajo del conjunto tractor-apero y por extensión en el consumo de combustible y el rendimiento del cultivo. El objetivo de este trabajo ha sido fundamentar el empleo del apero más adecuado para la labor de surcado en cultivos de raíces y tubérculos (patata, boniato, yuca) en Fluvisoles, teniendo en cuenta el comportamiento de las dimensiones y forma del caballón, cualidades tecnológicas explotativas del conjunto tractor-apero, consumo energético del proceso productivo y el rendimiento agrícola. Los tratamientos considerados estuvieron determinados por la utilización del surcador fertilizador IIMA-BALDAN 4.500 (T1), y los surcadores aporcadores SA-5 (T2) y SA-3 (T3). En los tres tratamientos se alcanzó un perfil de la sección transversal del caballón de configuración cóncavo-convexo. El surcador BALDAN logró el mejor comportamiento de los indicadores tecnológico-explotativos lo que se tradujo en la mayor capacidad de trabajo de 1,36 ha h-1 y el menor consumo de combustible de 5,38 L ha-1. Este mismo tratamiento proporcionó el mayor rendimiento medio de los cultivos superando en un 43,2% al del surcador SA-5 y en un 57,9% al del surcador SA-3. Desde el punto de vista energético T1, obtuvo una mejor eficiencia energética superior en un 43,5% a la del tratamiento T2, y en un 57,1% a la del tratamiento T3. ABSTRACT The achievement of agrotechnical objectives in the cultivation of roots and tubers demands the plow through activity creates a ridge to allow the work of subsequent farming tools participating in other cultivation works. In Cuban Agriculture various kinds of furrowers are used which differ in the characteristics of their earth up elements. This fact affects work capacity of the tractor-farming tool combination and by extension to fuel consumption and cultivation yield. The aim of this work has been to support the use of the most accurate farming tool in the plow through activity for the cultivation of roots and tubers (potato, sweet potato, cassava) in Fluvisoils, taking into account the behaviour of the ridge´s dimensions and shape, technologic-explotative qualities of the tractor-farming tool combination, energy consumption of the productive process and agricultural yield. The treatments considered were determined by the use of fertlizing furrower IIMA-BALDAN 4.500 (T1), and the earth up furrowers SA-5 (T2) and SA-3 (T3). During the three treatments a transverse section profile of the ridge under concave-convex configuration was obtained. The furrower BALDAN achieved the best behaviour of the technologic-explotative indicators, which was translated into the largest work capacity of 1,36 ha h-1 and the smallest fuel consumption of 5,38 L ha-1. This treatment also provided the biggest average yield of the cultivation, overcoming in a 43,2% the furrower SA-5 and furrower SA-3 in a 57,9%. From the energetic point of view T1 gained better energetic efficiency than treatment T2 in a 43,5% and treatment T3 in a 57,1%.

Grupos estratégicos: su influencia en el desempeño de la industria bancaria venezolana y su relación con la cobertura geográfica

El objetivo de esta investigación fue determinar los grupos estratégicos de la industria bancaria venezolana y su influencia sobre el desempeño en el sector, así como su relación con la cober tura geográfica, durante el primer semestre del año 2008. Los resultados más relevantes fueron los siguientes: 1) Los grupos estratégicos combinan patrones de conductas. 2) Las diferentes estrategias adoptadas por los bancos no se expresaron en una diferenciación en los niveles de resultados económicos y financieros. 3) Los grupos bancarios llevan a cabo una estrategia de cobertura geográfica relacionada con la estrategia financiera.

Cobertura de la trinchera ferroviaria de Hendaya

Un problema del ferrocarril al paso por las ciudades europeas es el efecto barrera generado, que impide su desarrollo más allá de las vías. Si se salta la barrera lo cierto es que ello se hace sólo en sitios concretos y el efecto psicológico de aislamiento persiste para los habitantes del entorno. Este trabajo presenta de manera sucinta los problemas de concepción, comprobación y vibraciones planteados por la estructura de cubierta de la trinchera ferroviaria de Hendaya, consistente en una losa de hormigón pretensado y luz variable de 20-40 metros, que resuelve el problema de aislamiento entre las dos partes de la ciudad. Su construcción ha sido posible gracias al acuerdo entre la SNCF e inversores privados y está permitiendo la construcción sobre ella de 6 edificios de viviendas y una residencia de turismo, la demolición del antiguo ?Pont-Vieux? y la construcción de un nuevo ?Pont-Vieux?, integrado completamente en la promoción inmobiliaria. An important problem put by the train in its passage by the cities of Europe generally and in France in particular is the effect barrier which builds up, preventing the cities from developing beyond. Even if this barrier is crossed, it is certain that the passage is restricted to concrete places and always acts as psychological barrier for the local residents. This article presents in a brief way the problems of conception, analysis and vibration of the cover structure of the railroad trench of Hendaye. This structure consists of a 20-40 meters span slab of pre-stressed concrete that solves the isolation problem of both parts of the town of Hendaye. Its construction was possible thanks to the agreement of the SNCF (French Railways)and some private investors, and is allowing the investors the construction on top of 6 residential buildings and a holiday residence, with demolition of the ancient “Pont-Vieux” and building of a new “Pont-Vieux”, which is completely integrated into the real-estate development. Special attention is given to the change of transverse cross-section of the slab during construction stages, which originates a redistribution of stresses, and to the long-term equilibrium of horizontal forces.

Autocontradicción en el conjunto de las funciones de [0,1]^[0,1] normales y convexas

Las propiedades N-autocontradicción y autocontradicción, han sido suficientemente estudiadas en los conjuntos borrosos ordinarios y en los conjuntos borrosos intuicionistas de Atanassov. En el presente artículo se inicia el estudio de las mencionadas propiedades, dentro del marco de los conjuntos borrosos de tipo 2 cuyos grados de pertenencia son funciones normales y convexas (L). En este sentido, aquí se extienden los conceptos de N-autocontradicción y autocontradicción al conjunto L, y se establecen algunos criterios para verificar tales propiedades.

Establecimiento de tarifas a largo plazo en la red de carreteras competencia del Estado compatibilizando la internalización de costes externos con la cobertura de costes de infraestructura

España ha experimentado un importante crecimiento económico en los últimos años. Dicho crecimiento ha venido acompañado de un gran aumento del stock de infraestructuras. Asimismo, ha habido un avance en el parque automotor hacia vehículos cada vez más eficientes en el consumo de combustible. Estas tres situaciones producen un desequilibrio entre las necesidades presupuestarias para mantener las infraestructuras y la recaudación lograda por el Estado con el mismo fin. Para dar solución a la problemática mencionada, en el marco del proyecto OASIS, se desarrolla un modelo tarifario teniendo en cuenta tres principios básicos; cobertura de costes de la infraestructura, incentivo al uso de vehículos que contaminan menos y simplicidad del esquema de tarifas para el usuario. El modelo incluye cada una de las actuales concesiones adjudicadas por el Estado en el momento en que revierten. No obstante, no se ha incluido de momento para el análisis la red competencia de las Comunidades Autónomas ni la red a cargo de Diputaciones y Cabildos. Asimismo, dentro del modelo se consideran hipótesis macroeconómicas, el crecimiento de la red, la evolución del tráfico, la evolución de las regiones de convergencia de la Unión Europea y la evolución del nivel de emisiones del parque automotor. Se dimensionan las necesidades de fondos a corto y largo plazo para mantener un crecimiento de la red acorde con algunos países de la Unión Europea. Las tarifas que hacen viable el sistema, o tarifas de equilibrio, se determinan con base en un modelo financiero inicialmente planteado sólo para la red competencia del Estado. Asimismo, mediante un análisis de sensibilidad se determina la variabilidad de las mencionadas tarifas con las principales hipótesis planteadas.

Procedimiento para la medición y verificación de la directividad y la cobertura de una fuente sobre un elemento de fachada de acuerdo a la norma ISO 140-5

El apartado <4.2 Altavoz> de la Norma Internacional UNE-EN ISO 140-5 del aislamiento acústico a ruido aéreo de elementos de fachadas y de fachadas> [1] especifica que la directividad del altavoz usado en el ensayo debe asegurar en todas las bandas de frecuencias de interés, unas diferencias de nivel locales inferiores a 5dB (o a 10 dB para fachadas de dimensiones mayores a 5m), medidas en campo libre, sobre una superficie del mismo tamaño y orientación que la pared o elemento a ensayar. Este requisito debe verificarse en unas bandas de frecuencia de interés que sean como mínimo los tercios de octava desde 100Hz hasta 3150Hz, y preferiblemente desde 50Hz hasta 5kHz. Desde hace unos años, en el Laboratorio de sonido de la EUIT de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid, los autores han implementado un método en el que, a partir de las medidas de directividad en cámara anecoica de la fuente sonora a ensayar, se calcula el campo sonoro directo sobre una superficie ficticia que representa un elemento de fachada en la misma disposición que se indica en la norma ICO 140-5 y con unas dimensiones según se requieran en el procedimiento. También se estima la dimensión horizontal máxima ΔXmax de una fachada rectangular en relación de aspecto fija que permite verificar la norma con los criterios de 5dB y 10dB de diferencias máximas de niveles directos en dicha fachada. En esta ponencia se detalla el procedimiento anterior. ABSTRACT. The Section "4.2 loudspeaker" of the UNE-EN ISO 140-5 International Standard: "Field measurements of airborne sound insulation of façade elements and façades", specifies that the directivity of the loudspeaker used in the test must ensure in all frequency bands of interest, local level differences less than 5dB (or 10dB for façade dimensions greater than 5m), measured in free field over an area of the same size and orientation as the wall or element to be tested. This requirement must be verified in the frequency bands of interest which are, at least, the third octave bands from 100Hz to 3150Hz, preferably from 50Hz to 5kHz. In recent years, in the Laboratory of Sound of the EUIT Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid), the authors have implemented a method that, from directivity measurements of loudspeakers performed in the anechoic room, the direct sound field on a surface in the same layout as indicated in the ISO standard is calculated. It is also estimated the maximum horizontal dimension Δxmax of a rectangular façade for each aspect ratio which verify the standard criteria of either 5dB or 10dB for the maximum differences of direct levels in the façade. This paper details the procedure above introduced.