Packet erasure correcting codes for wireless sensor networks: implementation and field trial measurements

This thesis regards the Wireless Sensor Network (WSN), as one of the most important technologies for the twenty-first century and the implementation of different packet correcting erasure codes to cope with the ”bursty” nature of the transmission channel and the possibility of packet losses during the transmission. The limited battery capacity of each sensor node makes the minimization of the power consumption one of the primary concerns in WSN. Considering also the fact that in each sensor node the communication is considerably more expensive than computation, this motivates the core idea to invest computation within the network whenever possible to safe on communication costs. The goal of the research was to evaluate a parameter, for example the Packet Erasure Ratio (PER), that permit to verify the functionality and the behavior of the created network, validate the theoretical expectations and evaluate the convenience of introducing the recovery packet techniques using different types of packet erasure codes in different types of networks. Thus, considering all the constrains of energy consumption in WSN, the topic of this thesis is to try to minimize it by introducing encoding/decoding algorithms in the transmission chain in order to prevent the retransmission of the erased packets through the Packet Erasure Channel and save the energy used for each retransmitted packet. In this way it is possible extend the lifetime of entire network.

Video transmission over wireless channel

This work has been realized by the author in his PhD course in Electrical, Computer Science and Telecommunication at the University of Bologna, Faculty of Engineering, Italy. All the documentation here reported is a summary of years of work, under the supervision of Prof. Oreste Andrisano, coordinator of Wireless Communication Laboratory - WiLab, in Bologna. The subject of this thesis is the transmission of video in a context of heterogeneous network, and in particular, using a wireless channel. All the instrumentation that has been used for the characterization of the telecommunication systems belongs to CNR (National Research Council), CNIT (Italian Inter- University Center), and DEIS (Dept. of Electrical, Computer Science, and Systems). From November 2009 to July 2010, the author spent his time abroad, working in collaboration with DLR - German Aerospace Center in Munich, Germany, on channel coding area, developing a general purpose decoder machine to decode a huge family of iterative codes. A patent concerning Doubly Generalized-Low Density Parity Check codes has been produced by the author as well as some important scientic papers, published on IEEE journals and conferences.

Power consumption analysis for self-diagnosis of Wireless Sensor Nodes

Wireless sensor networks can transform our buildings in smart environments, improving comfort, energy efficiency and safety. Today however, wireless sensor networks are not considered reliable enough for being deployed on large scale. In this thesis, we study the main failure causes for wireless sensor networks, the existing solutions to improve reliability and investigate the possibility to implement self-diagnosis through power consumption measurements on the sensor nodes. Especially, we focus our interest on faults that generate in-range errors: those are wrong readings but belong to the range of the sensor and can therefore be missed by external observers. Using a wireless sensor network deployed in the R\&D building of NXP at the High Tech Campus of Eindhoven, we performed a power consumption characterization of the Wireless Autonomous Sensor (WAS), and studied through some experiments the effect that faults have in the power consumption of the sensor.

Fiber-Optic Technologies for Wireline and Wireless In-building Networks

This doctoral dissertation aims to establish fiber-optic technologies overcoming the limiting issues of data communications in indoor environments. Specific applications are broadband mobile distribution in different in-building scenarios and high-speed digital transmission over short-range wired optical systems. Two key enabling technologies are considered: Radio over Fiber (RoF) techniques over standard silica fibers for distributed antenna systems (DAS) and plastic optical fibers (POFs) for short-range communications. Hence, the objectives and achievements of this thesis are related to the application of RoF and POF technologies in different in-building scenarios. On one hand, a theoretical and experimental analysis combined with demonstration activities has been performed on cost-effective RoF systems. An extensive modeling on modal noise impact both on linear and non-linear characteristics of RoF link over silica multimode fiber has been performed to achieve link design rules for an optimum choice of the transmitter, receiver and launching technique. A successful transmission of Long Term Evolution (LTE) mobile signals on the resulting optimized RoF system over silica multimode fiber employing a Fabry-Perot LD, central launch technique and a photodiode with a built-in ball lens was demonstrated up to 525m with performances well compliant with standard requirements. On the other hand, digital signal processing techniques to overcome the bandwidth limitation of POF have been investigated. An uncoded net bit-rate of 5.15Gbit/s was obtained on a 50m long POF link employing an eye-safe transmitter, a silicon photodiode, and DMT modulation with bit and power loading algorithm. With the insertion of 3x2N quadrature amplitude modulation constellation formats, an uncoded net-bit-rate of 5.4Gbit/s was obtained on a 50 m long POF link employing an eye-safe transmitter and a silicon avalanche photodiode. Moreover, simultaneous transmission of baseband 2Gbit/s with DMT and 200Mbit/s with an ultra-wideband radio signal has been validated over a 50m long POF link.

Co-simulazione e co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali

L’attività di ricerca contenuta in questa tesi si è concentrata nello sviluppo e nell’implementazione di tecniche per la co-simulazione e il co-progetto non lineare/elettromagnetico di sistemi wireless non convenzionali. Questo lavoro presenta un metodo rigoroso per considerare le interazioni tra due sistemi posti sia in condizioni di campo vicino che in condizioni di campo lontano. In sostanza, gli effetti del sistema trasmittente sono rappresentati da un generatore equivalente di Norton posto in parallelo all’antenna del sistema ricevente, calcolato per mezzo del teorema di reciprocità e del teorema di equivalenza. La correttezza del metodo è stata verificata per mezzo di simulazioni e misure, concordi tra loro. La stessa teoria, ampliata con l’introduzione degli effetti di scattering, è stata usata per valutare una condizione analoga, dove l’elemento trasmittente coincide con quello ricevente (DIE) contenuto all’interno di una struttura metallica (package). I risultati sono stati confrontati con i medesimi ottenibili tramite tecniche FEM e FDTD/FIT, che richiedono tempi di simulazione maggiori di un ordine di grandezza. Grazie ai metodi di co-simulazione non lineari/EM sopra esposti, è stato progettato e verificato un sistema di localizzazione e identificazione di oggetti taggati posti in ambiente indoor. Questo è stato ottenuto dotando il sistema di lettura, denominato RID (Remotely Identify and Detect), di funzioni di scansione angolare e della tecnica di RADAR mono-pulse. Il sistema sperimentale, creato con dispositivi low cost, opera a 2.5 GHz ed ha le dimensioni paragonabili ad un normale PDA. E’ stato sperimentata la capacità del RID di localizzare, in scenari indoor, oggetti statici e in movimento.

Progetto ed implementazione di protocolli a basso consumo energetico per reti wireless

"I computer del nuovo millennio saranno sempre più invisibili, o meglio embedded, incorporati agli oggetti, ai mobili, anche al nostro corpo. L'intelligenza elettronica sviluppata su silicio diventerà sempre più diffusa e ubiqua. Sarà come un'orchestra di oggetti interattivi, non invasivi e dalla presenza discreta, ovunque". [Mark Weiser, 1991] La visione dell'ubiquitous computing, prevista da Weiser, è ormai molto vicina alla realtà e anticipa una rivoluzione tecnologica nella quale l'elaborazione di dati ha assunto un ruolo sempre più dominante nella nostra vita quotidiana. La rivoluzione porta non solo a vedere l'elaborazione di dati come un'operazione che si può compiere attraverso un computer desktop, legato quindi ad una postazione fissa, ma soprattutto a considerare l'uso della tecnologia come qualcosa di necessario in ogni occasione, in ogni luogo e la diffusione della miniaturizzazione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie di comunicazione wireless ha contribuito notevolmente alla realizzazione di questo scenario. La possibilità di avere a disposizione nei luoghi più impensabili sistemi elettronici di piccole dimensioni e autoalimentati ha contribuito allo sviluppo di nuove applicazioni, tra le quali troviamo le WSN (Wireless Sensor Network), ovvero reti formate da dispositivi in grado di monitorare qualsiasi grandezza naturale misurabile e inviare i dati verso sistemi in grado di elaborare e immagazzinare le informazioni raccolte. La novità introdotta dalle reti WSN è rappresentata dalla possibilità di effettuare monitoraggi con continuità delle più diverse grandezze fisiche, il che ha consentito a questa nuova tecnologia l'accesso ad un mercato che prevede una vastità di scenari indefinita. Osservazioni estese sia nello spazio che nel tempo possono essere inoltre utili per poter ricavare informazioni sull'andamento di fenomeni naturali che, se monitorati saltuariamente, non fornirebbero alcuna informazione interessante. Tra i casi d'interesse più rilevanti si possono evidenziare: - segnalazione di emergenze (terremoti, inondazioni) - monitoraggio di parametri difficilmente accessibili all'uomo (frane, ghiacciai) - smart cities (analisi e controllo di illuminazione pubblica, traffico, inquinamento, contatori gas e luce) - monitoraggio di parametri utili al miglioramento di attività produttive (agricoltura intelligente, monitoraggio consumi) - sorveglianza (controllo accessi ad aree riservate, rilevamento della presenza dell'uomo) Il vantaggio rappresentato da un basso consumo energetico, e di conseguenza un tempo di vita della rete elevato, ha come controparte il non elevato range di copertura wireless, valutato nell'ordine delle decine di metri secondo lo standard IEEE 802.15.4. Il monitoraggio di un'area di grandi dimensioni richiede quindi la disposizione di nodi intermedi aventi le funzioni di un router, il cui compito sarà quello di inoltrare i dati ricevuti verso il coordinatore della rete. Il tempo di vita dei nodi intermedi è di notevole importanza perché, in caso di spegnimento, parte delle informazioni raccolte non raggiungerebbero il coordinatore e quindi non verrebbero immagazzinate e analizzate dall'uomo o dai sistemi di controllo. Lo scopo di questa trattazione è la creazione di un protocollo di comunicazione che preveda meccanismi di routing orientati alla ricerca del massimo tempo di vita della rete. Nel capitolo 1 vengono introdotte le WSN descrivendo caratteristiche generali, applicazioni, struttura della rete e architettura hardware richiesta. Nel capitolo 2 viene illustrato l'ambiente di sviluppo del progetto, analizzando le piattaforme hardware, firmware e software sulle quali ci appoggeremo per realizzare il progetto. Verranno descritti anche alcuni strumenti utili per effettuare la programmazione e il debug della rete. Nel capitolo 3 si descrivono i requisiti di progetto e si realizza una mappatura dell'architettura finale. Nel capitolo 4 si sviluppa il protocollo di routing, analizzando i consumi e motivando le scelte progettuali. Nel capitolo 5 vengono presentate le interfacce grafiche utilizzate utili per l'analisi dei dati. Nel capitolo 6 vengono esposti i risultati sperimentali dell'implementazione fissando come obiettivo il massimo lifetime della rete.

Sicurezza nelle reti di sensori wireless UWB: generazione di chiavi simmetriche da parametri fisici

Le reti di oggetti intelligenti costituiscono una realtà che si sta affermando nel mondo quotidiano. Dispositivi capaci di comunicare tra loro, oltre che svolgere la propria funzione primaria, possono comporre una nuvola che faccia riferimento al legittimo proprietario. Un aspetto fondamentale di questo scenario riguarda la sicurezza, in particolar modo per garantire una comunicazione protetta. Il soddisfacimento di questo requisito è fondamentale anche per altri punti come l'integrità dell'informazione condivisa e l'autenticazione. Lo strumento più antico e tutt'ora adatto alla riservatezza di una comunicazione è costituito dalla crittografia. Una tecnica crittografica è schematicamente composta da un algoritmo che, a seconda di una chiave e del messaggio in ingresso, restituisce in uscita un messaggio cifrato, il crittogramma. Questo viene poi inviato e al legittimo destinatario che, essendo in possesso della chiave e dell'algoritmo, lo converte nel messaggio originale. L'obiettivo è rendere impossibile ad un utente malevolo - non dotato di chiave - la ricostruzione del messaggio. L'assunzione che l'algoritmo possa essere noto anche a terze parti concentra l'attenzione sul tema della chiave. La chiave deve essere sufficientemente lunga e casuale, ma soprattutto deve essere nota ai due utenti che intendono instaurare la comunicazione. Quest'ultimo problema, noto come distribuzione della chiave, è stato risolto con il sistema RSA a chiave pubblica. Il costo computazionale di questa tecnica, specialmente in un contesto di dispositivi non caratterizzati da grandi potenze di calcolo, suggerisce però la ricerca di strade alternative e meno onerose. Una soluzione promettente ed attualmente oggetto di studio sembra essere costituita dalle proprietà del canale wireless. Un ponte radio è caratterizzato da una funzione di trasferimento che dipende dall'ambiente in cui ci si trova e, per il teorema di reciprocità, risulta essere lo stesso per i due utenti che l'hanno instaurato. Oggetto della tesi è lo studio ed il confronto di alcune delle tecniche possibili per estrarre una chiave segreta da un mezzo condiviso, come quello del canale wireless. Si presenterà il contesto in cui verrà sviluppato l'elaborato. Si affronteranno in particolare due casi di interesse, costituiti dalla attuale tecnologia di propagazione del segnale a banda stretta (impiegata per la maggior parte delle trasmissioni senza fili) per passare a quella relativamente più recente della banda Ultra-larga (UWB). Verranno poi illustrate delle tecniche per ottenere stringhe di bit dai segnali acquisiti, e saranno proposti dei metodi per la loro correzione da eventuali discordanze. Saranno infine riportate le conclusioni sul lavoro svolto e le possibili strade future.

Wireless Sensor Networks for Monitoring Applications

Wireless Sensor Networks (WSNs) are getting wide-spread attention since they became easily accessible with their low costs. One of the key elements of WSNs is distributed sensing. When the precise location of a signal of interest is unknown across the monitored region, distributing many sensors randomly/uniformly may yield with a better representation of the monitored random process than a traditional sensor deployment. In a typical WSN application the data sensed by nodes is usually sent to one (or more) central device, denoted as sink, which collects the information and can either act as a gateway towards other networks (e.g. Internet), where data can be stored, or be processed in order to command the actuators to perform special tasks. In such a scenario, a dense sensor deployment may create bottlenecks when many nodes competing to access the channel. Even though there are mitigation methods on the channel access, concurrent (parallel) transmissions may occur. In this study, always on the scope of monitoring applications, the involved development progress of two industrial projects with dense sensor deployments (eDIANA Project funded by European Commission and Centrale Adritica Project funded by Coop Italy) and the measurement results coming from several different test-beds evoked the necessity of a mathematical analysis on concurrent transmissions. To the best of our knowledge, in the literature there is no mathematical analysis of concurrent transmission in 2.4 GHz PHY of IEEE 802.15.4. In the thesis, experience stories of eDIANA and Centrale Adriatica Projects and a mathematical analysis of concurrent transmissions starting from O-QPSK chip demodulation to the packet reception rate with several different types of theoretical demodulators, are presented. There is a very good agreement between the measurements so far in the literature and the mathematical analysis.

Progetto di un sistema wireless a microcontrollore per il monitoraggio di consumi elettrici

L’obiettivo che questo elaborato si pone è la realizzazione di un prototipo di smart meter distribuito che, in modalità Near-Real-Time, acquisisca ed invii ad un database remoto i consumi relativi ad ogni singolo carico elettrico presente in una abitazione.

Cooperative Wireless Systems

This Ph.D. dissertation reports on the work performed at the Wireless Communication Laboratory - University of Bologna and National Research Council - as well as, for six months, at the Fraunhofer Institute for Integrated Circuit (IIS) in Nürnberg. The work of this thesis is in the area of wireless communications, especially with regards to cooperative communications aspects in narrow-band and ultra-wideband systems, cooperative links characterization, network geometry, power allocation techniques,and synchronization between nodes. The underpinning of this work is devoted to developing a general framework for design and analysis of wireless cooperative communication systems, which depends on propagation environment, transmission technique, diversity method, power allocation for various scenarios and relay positions. The optimal power allocation for minimizing the bit error probability at the destination is derived. In addition, a syncronization algorithm for master-slave communications is proposed with the aim of jointly compensate the clock drift and offset of wireless nodes composing the network.