Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Estudo e desenvolvimento de sistema de cobrança de portagens baseado em NFC

Tese para obter o grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações

Diseño e implementación de un sistema de autenticación, autorización y acceso a una red inalámbrica vía FreeRADIUS y Active Directory

L'objectiu d'aquest projecte és estudiar i implementar una solució segura de connectivitat sense fil a la infraestructura actual aprofitant al màxim tots els sistemes ja implementats, de manera que no pateixin greus canvis estructurals.

Hallintasovellus M2M-tiedonsiirtoon GPRS-verkossa

Pääosa matkapuhelinjärjestelmien liikenteestä on toistaiseksi puhetta. Dataliikenteen osuus on kuitenkin jatkuvasti kasvamassa uusien tekniikoiden myötävaikutuksella. Langattoman dataliikenteen kehittämiselle tuo myös lisäpainetta internetin nopeasti yleistynyt käyttö. Eräs lupaavimmista sovellusalueista on konekommunikaatio, M2M, minkä läpilyöntiä on ennustettu jo vuosia. Viime vuosina markkinoille tulleet M2M-laitteet tarjoavat aiemmista laitteista poiketen myös mahdollisuuden sovellusten suorittamiseen itse laitteessa ja niiden päivittämisen langattomasti. Työssä vertaillaan kolmea markkinoilla olevaa konekommunikaatioon soveltuvaa laitetta ja tarkastellaan niiden ominaisuuksia ja sovellusten päivitettävyyttä GPRS-verkkoa käyttäen. Tarkastelussa havaitaan, että teleoperaattoreiden asettamat rajoitukset ja käytössä olevat päivitysmenetelmät aiheuttavat tiettyjä ongelmia päivitysten käytettävyydelle. Työn tuloksena kehitettiin hallintasovellusohjelmisto, mikä mahdollisti etäällä sijaitsevien M2M-laitteiden sovellusten päivittämisen helppokäyttöisen käyttöliittymän avulla. Hallintasovellusta käyttäen useita, maantieteellisesti hajallaan olevia laitteita oli mahdollista päivittää samanaikaisesti automatisoidusti. Hallintasovellus osoittautui käyttökelpoiseksi työkaluksi M2Mlaitteiden sovellusten hallintaan jo, kun laitemäärä kasvoi muutamista kappaleista muutamaan kymmeneen.

Network Device Driver Design and Implementation for Symbian Operating System

Tämä diplomityö esittää Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuuriin perustuvan paikallisverkkokortin (LAN) käyttöönottoa. Pääajatus oli keskitetty langattoman LAN— kortin (WLAN) ajureiden käyttöönottoon. Jokainen Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurin komponentti oli huolellisesti tutkittu, painottaen mahdollista langattoman yhteyden uudelleenkäyttöä. Myös olemassaolevan Ethernetkortin ajureiden uudelleenkäyttö oli huolellisesti otettu huomioon. Diplomityöprojektin aikana esimerkki WLAN-kortin ajurin lähdekoodista oli esitetty. Tämä ajuri on kirjoitettu NOKIA DTN-20 WLAN-korttia varten. Havaittiin myös, että suurin osa Symbianin käyttöjärjestelmän verkkoarkkitehtuurista voidaan käyttää myös WLAN-pohjaisessa yhteydessä ilman muutoksia.. Esitetty ajuri käyttää myös tiettyjä olemassaolevan Ethernetkortin ajureita, esim. Logical Device Driver (LDD):tä.

Design considerations for the multiband OFDM physical layer in consumer electronic products

The creation of Wireless Personal Area Networks (WPANs) offers the Consumer Electronics industry a mechanism to truly unwire consumer products, leading to portability and ease of installation as never seen before. WPAN's can offer data-rates exceeding those that are required to convey high quality broadcast video, thus users can easily connect to high quality video for multimedia presentations in education, libraries, advertising, or have a wireless connection at home. There have been many WPAN proposals, but this paper concentrates on ECMA-368 as this standard has the largest industrial and implementers' forum backing. This paper discusses the technology behind ECMA-368, the required numerical bandwidth, buffer memory requirements and implementation considerations while concentrating on supporting all the offered data-rates'.

Design issues toward a cost effective physical layer for multiband OFDM (ECMA-368) in consumer products

The creation of Wireless Personal Area Networks (WPANs) offers the Consumer Electronics industry a mechanism to truly unwire consumer products, leading to portability and ease of installation as never seen before. WPAN's can offer data-rates exceeding those that are required to convey high quality broadcast video, thus users can easily connect to high quality video for multimedia presentations in education, libraries, advertising, or have a wireless connection at home. There have been many WPAN proposals, but this paper concentrates on ECMA-368 as this standard has the largest industrial and implementers' forum backing. With the aim to effective consumer electronic define and create cost equipment this paper discusses the technology behind ECMA-368 physical layer, the design freedom availabilities, the required processing, buffer memory requirements and implementation considerations while concentrating on supporting all the offered data-rates(1).

Designing a Remote Navigation System

This project involves the design and implementation of a global electronic tracking system intended for use by trans-oceanic vessels, using the technology of the U.S. Government's Global Positioning System (GPS) and a wireless connection to a networked computer. Traditional navigation skills are being replaced with highly accurate electronics. GPS receivers, computers, and mobile communication are becoming common among both recreational and commercial boaters. With computers and advanced communication available throughout the maritime world, information can be shared instantaneously around the globe. This ability to monitor one's whereabouts from afar can provide an increased level of safety and efficiency. Current navigation software seldom includes the capability of providing upto-the-minute navigation information for remote display. Remote access to this data will allow boat owners to track the progress of their boats, land-based organizations to monitor weather patterns and suggest course changes, and school groups to track the progress of a vessel and learn about navigation and science. The software developed in this project allows navigation information from a vessel to be remotely transmitted to a land-based server, for interpretation and deployment to remote users over the Internet. This differs from current software in that it allows the tracking of one vessel by multiple users and provides a means for two-way text messaging between users and the vesseI. Beyond the coastal coverage provided by cellular telephones, mobile communication is advancing rapidly. Current tools such as satellite telephones and single-sideband radio enable worldwide communications, including the ability to connect to the Internet. If current trends continue, portable global communication will be available at a reasonable price and Internet connections on boats will become more common.

Remote laboratory experiment access via an RFID interface

In this paper, remote laboratory experiment access is considered through the use of radio frequency identification (RFID) technology. Contactless smart cards are used widely in many applications from travel cards through to building access control and inventory tracking. However, their use is considered here for access to electronic engineering experimentation in a remote laboratory setting by providing the ability to interface experiments through this contactless (wireless) connection means. A case study design is implemented to demonstrate such a means by incorporating experiment data onto a contactless smart card and accessing this via a card reader and web server arrangement. © 2012 IEEE.

Métodos seguros para comunicação em sistemas de rede sem fio de múltiplos saltos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Trajetórias tecnológicas da indústria de telefonia móvel: um exame prospectivo de tecnologias emergentes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Integración Wi-Fi en un proyecto ICT

La instalación de Infraestructuras Comunes de Telecomunicación (IICCTT) en el interior de las edificaciones para el acceso a los servicios de telecomunicación facilitó la incorporación a las viviendas de las nuevas tecnologías de forma económica y transparente para los usuarios. Actualmente, todos los edificios de nueva construcción deben presentar un proyecto ICT firmado por un Ingeniero Técnico de Telecomunicación de la especialidad correspondiente o un Ingeniero de Telecomunicación. La legislación que las regula afecta a todo tipo de viviendas con independencia del poder adquisitivo del comprador, y contribuye de manera decisiva a que disminuyan a corto y medio plazo las desigualdades sociales en lo relativo al acceso a servicios de telecomunicación tales como telefonía, Internet, telecomunicación por cable, radiodifusión sonora y televisión analógica, digital, terrenal o por satélite, etc.. Desde 1997, el Colegio Oficial de Ingenieros de Telecomunicación junto con otras organizaciones públicas y privadas ha participado en la elaboración de la normativa aplicable a las Infraestructuras Comunes de Telecomunicación, dando lugar al actual decreto, el Real Decreto 346/2011, de 11 de Marzo. El propósito general de este proyecto es diseñar una red Wi-Fi a partir de las canalizaciones e instalaciones del proyecto ICT de un conjunto de viviendas unifamiliares, para que todas ellas dispongan de conexión a internet de forma inalámbrica. Para llevar a cabo este diseño, se ha realizado un estudio de las características del estándar IEEE 802.11, conocido como Wi-Fi, analizando las posibilidades de comunicación inalámbrica que ofrece, así como las limitaciones que presenta en la actualidad. Se ha analizado el proyecto ICT del conjunto de viviendas, estudiando la viabilidad de utilizar sus instalaciones para implementar la red Wi-Fi, añadiendo tanto las canalizaciones como los dispositivos comerciales necesarios para llevar a cabo dicha implementación. Además, se ha estudiado la posibilidad de integrar la red Wi-Fi utilizando el cableado de televisión de la propia ICT. Por último, se ha estudiado la gran importancia que al Hogar Digital se da en el Real Decreto 346/2011, de 11 de marzo, por el que se aprueba el Reglamento regulador de las Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones para el acceso a los servicios de telecomunicación en el interior de las edificaciones, presentando los aspectos fundamentales que se persiguen con la domotización de la vivienda como mejora de vida de sus habitantes. Abstract The installation of Telecommunications Common Infrastructures (TCIs, in Spanish Infraestructuras Comunes de Telecomunicación –IICCTT-) in the buildings, in order to gain access to telecommunications services, facilitated the incorporation into the houses of new technologies in an economical and transparent way for users. Nowadays, every new construction building must have a TCI project signed by a Telecommunications Engineer or a Technical Telecommunications Engineer with the appropriate specialization. The legislation that regulates TCIs affects every kind of houses, independently of the buyer´s purchasing power, and contributes decisively to decrease in short and medium terms the social inequalities concerning the access to the telecommunication services, such as telephony, Internet, wired telecommunications, audible broadcasting and digital, analogical, land, satellite television, etc.. Since 1997, the Telecommunications Engineer Official College, together with other public and private organizations, has been elaborating the regulations for the TCIs, giving rise to the current decree, the Royal Decree 346/2011, of 11th of March. The general purpose of this project is to design a Wi-Fi network based on the canalizations and installations of the TCI project of a housing development, in such a way that every house is provided with a wireless connection to the Internet. In order to carry out this design, the characteristics of the standard IEEE 802.11, known as Wi-Fi, have been studied, analyzing the wireless-communication possibilities that it offers, as well as the constraints that it presents currently. The TCI project has been analyzed, studying the feasibility of using its installations to implement the Wi-Fi network, adding the canalizations and commercial devices required to execute the aforementioned implementation. Besides, the possibility of integrating the Wi-Fi network using the television wires of the TCI project has been investigated. Finally, it has been studied the great importance that has been given to Digital Home in the Royal Decree 346/2011, of 11th of March, that approves the regulatory Regulations of Telecommunications Common Infrastructures for the access to telecommunications services inside the buildings, presenting the essential aspects that are pursued with the house domotization as a way to improve the quality of life of its inhabitants.

Sistema colaborativo de detección y seguimiento de anomalías mediante visión por computador

En este proyecto se realiza el diseño e implementación de un sistema que detecta anomalías en las entradas de entornos controlados. Para ello, se hace uso de las últimas técnicas en visión por computador y se avisa visual y auditivamente, mediante un sistema hardware que recibe señales del ordenador al que está conectado. Se marca y fotografía, a una o varias personas, que cometen una infracción en las entradas de un establecimiento, vigilado con sistemas de vídeo. Las imágenes se almacenan en las carpetas correspondientes. El sistema diseñado es colaborativo, por lo tanto, las cámaras que intervienen, se comunican entre ellas a través de estructuras de datos con el objetivo de intercambiar información. Además, se utiliza conexión inalámbrica desde un dispositivo móvil para obtener una visión global del entorno desde cualquier lugar del mundo. La aplicación se desarrolla en el entorno MATLAB, que permite un tratamiento de la señal de imagen apropiado para el presente proyecto. Asimismo, se proporciona al usuario una interfaz gráfica con la que interactuar de manera sencilla, evitando así, el cambio de parámetros en la estructura interna del programa cuando se quiere variar el entorno o el tipo de adquisición de datos. El lenguaje que se escoge facilita la ejecución en distintos sistemas operativos, incluyendo Windows o iOS y, de esta manera, se proporciona flexibilidad. ABSTRACT. This project studies the design and implementation of a system that detects any anomalies on the entrances to controlled environments. To this end, it is necessary the use of last techniques in computer vision in order to notify visually and aurally, by a hardware system which receives signs from the computer it is connected to. One or more people that commit an infringement while entering into a secured environment, with video systems, are marked and photographed and those images are stored in their belonging file folder. This is a collaborative design system, therefore, every involved camera communicates among themselves through data structures with the purpose of exchanging information. Furthermore, to obtain a global environment vision from any place in the world it uses a mobile wireless connection. The application is developed in MATLAB environment because it allows an appropriate treatment of the image signal for this project. In addition, the user is given a graphical interface to easily interact, avoiding with this, changing any parameters on the program’s intern structure, when it requires modifying the environment or the data type acquisition. The chosen language eases its execution in different operating systems, including Windows or iOS, providing flexibility.

Versatile iPad forensic acquisition using the Apple Camera Connection Kit

Peer reviewed

Secure IP-based Connection Solutions for Mobile Users

Tämä diplomityö tutkii turvallisia etäyhteystapoja yritysverkkoihin. Samanaikasesti kuin Internettiin liitetyt langattomat verkot, kuten langattomat lähiverkot ja pakettikytkentäiset matkapuhelinverkot, tulevat yhä yleisemmiksi, mahdollisuus etäyhteksien luomiseen näiden verkkojen kautta tulee yhä suositummaksi. Vaikka tietoverkot kehittyvät, pysyvät niitä uhkaavat yleisluontoiset uhat samoina. IP pohjaiset VPN-verkot ovat sopiva tapa suojata Internetin ylitse tapahtuvia etäyhteksiä. Eri VPN-ratkaisuja on kuitenkin tarjolla laaja valikoima. Oikean tyyppisen VPN-ratkaisun valinta on kriittistä, jotta yrityksen etäyhteystarpeet saadaan täytettyä. Diplomityö esittelee eräänä vaihtoehtona miten Pocket PC 2002 PDA laitetta ja Windows XP Professional käyttöjärjestelmää voidaan käyttää edullisen VPN ratkaisun toteuttamiseen.