Location Management in IP-based Future LEO Satellite Networks: A Review

Future integrated terrestrial, aerial, and space networks will involve thousands of Low Earth Orbit (LEO) satellites forming a network of mega-constellations, which will play a significant role in providing communication and Internet services everywhere, at any time, and for everything. Due to its very large scale and highly dynamic nature, future LEO satellite networks (SatNets) management is a very complicated and crucial process, especially the mobility management aspect and its two components location management and handover management. In this article, we present a comprehensive and critical review of the state-of-the-art research in LEO SatNets location management. First, we give an overview of the Internet Engineering Task Force (IETF) mobility management standards (e.g., Mobile IPv6 and Proxy Mobile IPv6) and discuss their location management techniques limitations in the environment of future LEO SatNets. We highlight future LEO SatNets mobility characteristics and their challenging features and describe two unprecedented future location management scenarios. A taxonomy of the available location management solutions for LEO SatNets is presented, where the solutions are classified into three approaches. The "Issues to consider" section draws attention to critical points related to each of the reviewed approaches that should be considered in future LEO SatNets location management. To identify the gaps, the current state of LEO SatNets location management is summarized. Noteworthy future research directions are recommended. This article is providing a road map for researchers and industry to shape the future of LEO SatNets location management.Comment: Submitted to the Proceedings of the IEE

Machine Learning for Unmanned Aerial System (UAS) Networking

Fueled by the advancement of 5G new radio (5G NR), rapid development has occurred in many fields. Compared with the conventional approaches, beamforming and network slicing enable 5G NR to have ten times decrease in latency, connection density, and experienced throughput than 4G long term evolution (4G LTE). These advantages pave the way for the evolution of Cyber-physical Systems (CPS) on a large scale. The reduction of consumption, the advancement of control engineering, and the simplification of Unmanned Aircraft System (UAS) enable the UAS networking deployment on a large scale to become feasible. The UAS networking can finish multiple complex missions simultaneously. However, the limitations of the conventional approaches are still a big challenge to make a trade-off between the massive management and efficient networking on a large scale. With 5G NR and machine learning, in this dissertation, my contributions can be summarized as the following: I proposed a novel Optimized Ad-hoc On-demand Distance Vector (OAODV) routing protocol to improve the throughput of Intra UAS networking. The novel routing protocol can reduce the system overhead and be efficient. To improve the security, I proposed a blockchain scheme to mitigate the malicious basestations for cellular connected UAS networking and a proof-of-traffic (PoT) to improve the efficiency of blockchain for UAS networking on a large scale. Inspired by the biological cell paradigm, I proposed the cell wall routing protocols for heterogeneous UAS networking. With 5G NR, the inter connections between UAS networking can strengthen the throughput and elasticity of UAS networking. With machine learning, the routing schedulings for intra- and inter- UAS networking can enhance the throughput of UAS networking on a large scale. The inter UAS networking can achieve the max-min throughput globally edge coloring. I leveraged the upper and lower bound to accelerate the optimization of edge coloring. This dissertation paves a way regarding UAS networking in the integration of CPS and machine learning. The UAS networking can achieve outstanding performance in a decentralized architecture. Concurrently, this dissertation gives insights into UAS networking on a large scale. These are fundamental to integrating UAS and National Aerial System (NAS), critical to aviation in the operated and unmanned fields. The dissertation provides novel approaches for the promotion of UAS networking on a large scale. The proposed approaches extend the state-of-the-art of UAS networking in a decentralized architecture. All the alterations can contribute to the establishment of UAS networking with CPS

Autofagia y biomarcadores en las enfermedades priónicas

Las encefalopatías espongiformes transmisibles (EETs), o enfermedades priónicas, son un grupo de trastornos neurodegenerativos fatales que afectan a los animales y al hombre, caracterizados por la acumulación de una isoforma infecciosa (PrPSc) de la proteína prion celular (PrPc) en el sistema nervioso central (SNC). Utilizando el scrapie ovino como modelo animal de EET, en la presente Tesis Doctoral hemos analizado la posible implicación de la autofagia, un proceso intracelular fundamental que evita la acumulación de orgánulos dañados y proteínas mal plegadas, en la neuropatología asociada a estas enfermedades. Mediante estudios de expresión génica y determinación inmunohistoquímica de algunos de los marcadores de autofagia más utilizados en la actualidad, evaluamos la regulación de este proceso en ovino infectado de forma natural con scrapie clásico, en ovejas inoculadas experimentalmente con scrapie atípico y en el modelo murino transgénico Tg338, el cual sobreexpresa el alelo del gen ovino de la proteína prion (PRNP) más susceptible al scrapie clásico (VRQ).En estos modelos hemos identificado una disminución en los niveles de expresión de genes relacionados con la autofagia como ATG5 y un incremento del marcador p62, una proteína que se acumula en respuesta al deterioro degradativo autofágico, principalmente en las áreas del SNC más afectadas por la enfermedad. El análisis de las dos formas clínicas de scrapie, las cuales difieren en la distribución neuroanatómica tanto de las lesiones histopatólogicas como de los depósitos de PrPSc, nos ha permitido concluir, no sólo que la maquinaria autofágica se encuentra alterada durante el curso de la infección priónica, sino también que dicha alteración está relacionada con la neuropatología de la enfermedad y es en gran medida dependiente de las características lesionales particulares de la región del SNC analizada. Por otro lado, en la línea transgénica murina Tg338 hemos demostrado que la disfunción de la autofagia tiene lugar durante las fases tardías de la infección priónica. Aunque este modelo experimental muestra una regulación autofágica diferencial con respecto a ratones de tipo wild-type, probablemente debido a la sobreexpresión de la PrPc, en general, la línea murina Tg338 presenta una respuesta a la infección con scrapie clásico y una actividad autofágica similares a las observadas en el ovino, por lo que puede considerarse un método in vivo adecuado para estudiar la autofagia y las EETs de manera conjunta.En la actualidad, el único diagnóstico efectivo de las enfermedades priónicas se basa en la detección directa de la PrPSc en el SNC de manera post-mortem o en tejidos y fluidos periféricos mediante técnicas de amplificación in vitro. La detección de la PrPSc no se considera fiable para el diagnóstico in vivo, y algunas de las técnicas de amplificación son costosas y requieren de laboratorios especializados. En esta Tesis Doctoral hemos realizado diversos estudios dirigidos a la identificación de biomarcadores distintos a la PrPSc y a la validación de potenciales biomarcadores génicos ya identificados para proporcionar alternativas útiles a la metodología diagnóstica actual.Mediante RT-qPCR estudiamos la expresión de diez genes, cuya implicación en la propagación priónica había sido descrita previamente in vitro, en la médula oblongada de ovino con scrapie natural. De todos ellos, detectamos una regulación diferencial en BAMBI y CHGA, por lo que estos dos marcadores se analizaron posteriormente mediante inmunohistoquímica en el modelo ovino y en el modelo murino Tg338. Los cambios de expresión de estos genes tanto a nivel génico como proteico en ambos modelos de scrapie sugieren que podrían desempeñar un papel relevante en la neuropatología de las EETs in vivo, señalándolos a su vez como potenciales biomarcadores de la enfermedad. Además, las proteínas codificadas por BAMBI y CHGA muestran una relación, no sólo con la replicación del prion, sino también con la microgliosis reactiva asociada a estas enfermedades.Por otro lado, los microRNAs (miRNAs) circulantes han sido propuestos como potenciales biomarcadores en una amplia variedad de patologías, incluidas las enfermedades neurodegenerativas. En esta Tesis Doctoral hemos analizado, en plasma sanguíneo y líquido cefalorraquídeo (LCR) de ovino con scrapie, una batería de miRNAs que han mostrado cambios de expresión en otros modelos de EET, demostrando por primera vez alteraciones en los niveles de varios miRNAs circulantes en una enfermedad priónica de origen natural. En los animales infectados con scrapie detectamos un incremento de miR-342-3p y miR-21-5p en plasma, y de miR-342-3p, miR-146a-5p, miR-128-3p y miR-21-5p en LCR, por lo que estas moléculas pueden ser candidatas adecuadas para ser utilizadas como nuevos biomarcadores de la enfermedad. A pesar de que también analizamos sus perfiles de expresión en la fracción exosomal de ambos fluidos biológicos con el fin de concentrar la señal de estos miRNAs y así poder proporcionar un método de diagnóstico más sensible, la purificación de exosomas no mejoró la señal de amplificación de estas moléculas, o al menos, de la batería de miRNAs seleccionada.Finalmente, evaluamos la presencia de la PrPSc en exosomas circulantes mediante PMCA, ya que la circulación del prion a través del organismo podría estar facilitada por estas vesículas y, por tanto, podrían ser en parte responsables de la prionemia descrita en scrapie. En los exosomas aislados de plasma de ovino con scrapie no detectamos la presencia de la proteína patológica, por lo que la fracción exosomal de la sangre no parece estar implicada en la ruta hematógena de neuroinvasión en este hospedador, ni su análisis resulta adecuado para diagnosticar la enfermedad in vivo. Por el contrario, la detección de la PrPSc en los exosomas aislados de LCR podría representar un biomarcador útil para facilitar el diagnóstico in vivo de las EETs durante las últimas etapas de la enfermedad, ya que la amplificación de esta proteína fue positiva en la gran mayoría de muestras procedentes de animales en fase clínica.Mediante un compendio de seis estudios, en esta Tesis Doctoral se ha analizado la implicación de la autofagia en las EETs y se ha profundizado en la validación de potenciales biomarcadores de estas enfermedades mediante el estudio de genes codificantes de proteínas, miRNAs y exosomas circulantes, cumpliendo los objetivos planteados al inicio de la misma.<br /