Not All Wireless Sensor Networks Are Created Equal: A Comparative Study On Tunnels

Wireless sensor networks (WSNs) are envisioned for a number of application scenarios. Nevertheless, the few in-the-field experiences typically focus on the features of a specific system, and rarely report about the characteristics of the target environment, especially w.r.t. the behavior and performance of low-power wireless communication. The TRITon project, funded by our local administration, aims to improve safety and reduce maintenance costs of road tunnels, using a WSN-based control infrastructure. The access to real tunnels within TRITon gives us the opportunity to experimentally assess the peculiarities of this environment, hitherto not investigated in the WSN field. We report about three deployments: i) an operational road tunnel, enabling us to assess the impact of vehicular traffic; ii) a non-operational tunnel, providing insights into analogous scenarios (e.g., underground mines) without vehicles; iii) a vineyard, serving as a baseline representative of the existing literature. Our setup, replicated in each deployment, uses mainstream WSN hardware, and popular MAC and routing protocols. We analyze and compare the deployments w.r.t. reliability, stability, and asymmetry of links, the accuracy of link quality estimators, and the impact of these aspects on MAC and routing layers. Our analysis shows that a number of criteria commonly used in the design of WSN protocols do not hold in tunnels. Therefore, our results are useful for designing networking solutions operating efficiently in similar environments

Optimal Ventilation Control in Complex Urban Tunnels with Multi-Point Pollutant Discharge

We propose an optimal ventilation control model for complex urban vehicular tunnels with distributed pollutant discharge points. The control problem is formulated as a nonlinear integer program that aims to minimize ventilation energy cost while meeting multiple air quality control requirements inside the tunnel and at discharge points. Based on the steady-state solutions to tunnel aerodynamics equations, we propose a reduced form model for air velocities as explicit functions of ventilation decision variables and traffic density. A compact parameterization of this model helps to show that tunnel airflows can be estimated using standard linear regression techniques. The steady-state pollutant dispersion model is then incorporated for the derivation of optimal pollutant discharge control strategies. A case study of a new urban tunnel in Hangzhou, China demonstrates that the scheduling of fan operations based on the proposed optimization model can effectively achieve different air quality control objectives under varying traffic intensity.U.S. Department of Transportation 69A355174711

Analysis, evaluation and improvement of RT-WMP for real-time and QoS wireless communication: Applications in confined environments

En los ultimos años, la innovación tecnológica, la característica de flexibilidad y el rápido despligue de las redes inalámbricas, han favorecido la difusión de la redes móviles ad-hoc (MANETs), capaces de ofrecer servicios para tareas específicas entre nodos móviles. Los aspectos relacionados al dinamismo de la topología móvil y el acceso a un medio compartido por naturaleza hacen que sea preciso enfrentarse a clases de problemas distintos de los relacionados con la redes cableadas, atrayendo de este modo el interés de la comunidad científica. Las redes ad-hoc suelen soportar tráfico con garantía de servicio mínimo y la mayor parte de las propuestas presentes en literatura tratan de dar garantías de ancho de banda o minimizar el retardo de los mensajes. Sin embargo hay situaciones en las que estas garantías no son suficientes. Este es el caso de los sistemas que requieren garantías mas fuertes en la entrega de los mensajes, como es el caso de los sistemas de tiempo real donde la pérdida o el retraso de un sólo mensaje puede provocar problemas graves. Otras aplicaciones como la videoconferencia, cada vez más extendidas, implican un tráfico de datos con requisitos diferentes, como la calidad de servicio (QoS). Los requisitos de tiempo real y de QoS añaden nuevos retos al ya exigente servicio de comunicación inalámbrica entre estaciones móviles de una MANET. Además, hay aplicaciones en las que hay que tener en cuenta algo más que el simple encaminamiento de los mensajes. Este es el caso de aplicaciones en entornos subterráneos, donde el conocimiento de la evolución de propagación de la señal entre los diferentes nodos puede ser útil para mejorar la calidad de servicio y mantener la conectividad en cada momento. A pesar de ésto, dentro del amplio abanicos de propuestas presente en la literatura, existen un conjunto de limitaciones que van de el mero uso de protocolos simulados a propuestas que no tienen en cuenta entornos no convencionales o que resultan aisladas desde el punto de vista de la integración en sistemas complejos. En esta tesis doctoral, se propone un estudio completo sobre un plataforma inalámbrica de tiempo real, utilizando el protocolo RT-WMP capaz de gestionar trafíco multimedia al mismo tiempo y adaptado al entorno de trabajo. Se propone una extensión para el soporte a los datos con calidad de servicio sin limitar las caractaristícas temporales del protocolo básico. Y con el fin de tener en cuenta el efecto de la propagación de la señal, se caracteriza el entorno por medio de un conjunto de restricciones de conectividad. La solución ha sido desarrollada y su validez ha sido demostrada extensamente en aplicaciones reales en entornos subterráneos, en redes malladas y aplicaciones robóticas

Mobile and Wireless Communications

Mobile and Wireless Communications have been one of the major revolutions of the late twentieth century. We are witnessing a very fast growth in these technologies where mobile and wireless communications have become so ubiquitous in our society and indispensable for our daily lives. The relentless demand for higher data rates with better quality of services to comply with state-of-the art applications has revolutionized the wireless communication field and led to the emergence of new technologies such as Bluetooth, WiFi, Wimax, Ultra wideband, OFDMA. Moreover, the market tendency confirms that this revolution is not ready to stop in the foreseen future. Mobile and wireless communications applications cover diverse areas including entertainment, industrialist, biomedical, medicine, safety and security, and others, which definitely are improving our daily life. Wireless communication network is a multidisciplinary field addressing different aspects raging from theoretical analysis, system architecture design, and hardware and software implementations. While different new applications are requiring higher data rates and better quality of service and prolonging the mobile battery life, new development and advanced research studies and systems and circuits designs are necessary to keep pace with the market requirements. This book covers the most advanced research and development topics in mobile and wireless communication networks. It is divided into two parts with a total of thirty-four stand-alone chapters covering various areas of wireless communications of special topics including: physical layer and network layer, access methods and scheduling, techniques and technologies, antenna and amplifier design, integrated circuit design, applications and systems. These chapters present advanced novel and cutting-edge results and development related to wireless communication offering the readers the opportunity to enrich their knowledge in specific topics as well as to explore the whole field of rapidly emerging mobile and wireless networks. We hope that this book will be useful for students, researchers and practitioners in their research studies

Optimisation of Mobile Communication Networks - OMCO NET

The mini conference “Optimisation of Mobile Communication Networks” focuses on advanced methods for search and optimisation applied to wireless communication networks. It is sponsored by Research & Enterprise Fund Southampton Solent University. The conference strives to widen knowledge on advanced search methods capable of optimisation of wireless communications networks. The aim is to provide a forum for exchange of recent knowledge, new ideas and trends in this progressive and challenging area. The conference will popularise new successful approaches on resolving hard tasks such as minimisation of transmit power, cooperative and optimal routing

Assessment and Real Time Implementation of Wireless Communications Systems and Applications in Transportation Systems

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01[Resumo] Os sistemas de comunicación sen fíos de cuarta e quinta xeración (4G e 5G) utilizan unha capa física (PHY) baseada en modulacións multiportadora para a transmisión de datos cun gran ancho de banda. Este tipo de modulacións proporcionan unha alta eficiencia espectral á vez que permiten corrixir de forma sinxela os efectos da canle radio. Estes sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para a repartición dos recursos radio dispoñibles entre os diferentes usuarios. Este repartimento realízase asignando un subconxunto de subportadoras a cada usuario nun instante de tempo determinado. Isto aporta unha gran flexibilidade ó sistema que lle permite adaptarse tanto ós requisitos de calidade de servizo dos usuarios como ó estado da canle radio. A capa de acceso ó medio (MAC) destes sistemas encárgase de configurar os diversos parámetros proporcionados pola capa física OFDMA, ademais de xestionar os diversos fluxos de información de cada usuario, transformando os paquetes de capas superiores en paquetes da capa física. Neste traballo estúdase o deseño e implementación das capas MAC e PHY de sistemas de comunicación 4G ademais da súa aplicabilidade en sistemas de transporte ferroviarios. Por unha parte, abórdase o deseño e implementación en tempo real do estándar WiMAX. Estúdanse os mecanismos necesarios para establecer comunicacións bidireccionais entre unha estación base e múltiples dispositivos móbiles. Ademais, estúdase como realizar esta implementación nunha arquitectura hardware baseada en DSPs e FPGAs, na que se implementan as capas MAC e PHY. Dado que esta arquitectura ten uns recursos computacionais limitados, tamén se estudan as necesidades de cada módulo do sistema para poder garantir o funcionamento en tempo real do sistema completo. Por outra parte, tamén se estuda a aplicabilidade dos sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Os sistemas de comunicacións e sinalización son unha parte vital para os sistemas de transporte ferroviario e metro. As comunicacións sen fíos utilizadas por estes sistemas deben ser robustas e proporcionar unha alta fiabilidade para permitir a supervisión, control e seguridade do tráfico ferroviario. Para levar a cabo esta avaliación de viabilidade realízanse simulacións de redes de comunicacións LTE en contornos de transporte ferroviarios, comprobando o cumprimento dos requisitos de fiabilidade e seguridade. Realízanse diferentes simulacións do sistema de comunicacións para poder ser avaliadas e seleccionar a configuración e arquitectura do sistema máis axeitada en función do escenario considerado. Tamén se efectúan simulacións de redes baseadas en Wi-Fi, dado que é a solución máis utilizada nos metros, para confrontar os resultados cos obtidos para LTE. Para que os resultados das simulacións sexan realistas débense empregar modelos de propagación radio axeitados. Nas simulacións utilízanse tanto modelos deterministas como modelos baseados nos resultados de campañas de medida realizadas nestes escenarios. Nas simulacións empréganse os diferentes fluxos de información destes escenarios para comprobar que se cumpren os requisitos de calidade de servicio (QoS). Por exemplo, os fluxos críticos para o control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) ou Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan unha alta fiabilidade e un retardo mínimo nas comunicacións para garantir o correcto funcionamento do sistema.[Resumen] Los sistemas de comunicación inalámbricos de cuarta y quinta generación (4G y 5G) utilizan una capa física (PHY) basada en modulaciones multiportadora para la transmisión de datos con un gran ancho de banda. Este tipo de modulaciones han demostrado tener una alta eficiencia espectral a la vez que permiten corregir de forma sencilla los efectos del canal radio. Estos sistemas utilizan OFDMA como mecanismo para el reparto de los recursos radio disponibles entre los diferentes usuarios. Este reparto se realiza asignando un subconjunto de subportadoras a cada usuario en un instante de tiempo determinado. Esto aporta una gran flexibilidad al sistema que le permite adaptarse tanto a los requisitos de calidad de servicio de los usuarios como al estado del canal radio. La capa de acceso al medio (MAC) de estos sistemas se encarga de configurar los diversos parámetros proporcionados por la capa física OFDMA, además de gestionar los diversos flujos de información de cada usuario, transformando los paquetes de capas superiores en paquetes de la capa física. En este trabajo se estudia el diseño e implementación de las capas MAC y PHY de sistemas de comunicación 4G además de su aplicabilidad en sistemas de transporte ferroviarios. Por una parte, se aborda el diseño e implementación en tiempo real del estándar WiMAX. Se estudian los mecanismos necesarios para establecer comunicaciones bidireccionales entre una estación base y múltiples dispositivos móviles. Además, se estudia cómo realizar esta implementación en una arquitectura hardware basada en DSPs y FPGAs, en la que se implementan las capas MAC y PHY. Dado que esta arquitectura tiene unos recursos computacionales limitados, también se estudian las necesidades de cada módulo del sistema para poder garantizar el funcionamiento en tiempo real del sistema completo. Por otra parte, también se estudia la aplicabilidad de los sistemas 4G a sistemas de transporte públicos. Los sistemas de comunicaciones y señalización son una parte vital para los sistemas de transporte ferroviario y metro. Las comunicaciones inalámbricas utilizadas por estos sistemas deben ser robustas y proporcionar una alta fiabilidad para permitir la supervisión, control y seguridad del tráfico ferroviario. Para llevar a cabo esta evaluación de viabilidad se realizan simulaciones de redes de comunicaciones LTE en entornos de transporte ferroviarios, comprobando si se cumplen los requisitos de fiabilidad y seguridad. Se realizan diferentes simulaciones del sistema de comunicaciones para poder ser evaluados y seleccionar la configuración y arquitectura del sistema más adecuada en función del escenario planteado. También se efectúan simulaciones de redes basadas en Wi-Fi, dado que es la solución más utilizada en los metros, para comparar los resultados con los obtenidos para LTE. Para que los resultados de las simulaciones sean realistas se deben utilizar modelos de propagación radio apropiados. En las simulaciones se utilizan tanto modelos deterministas como modelos basados en los resultados de campañas de medida realizadas en estos escenarios. En las simulaciones se utilizan los diferentes flujos de información de estos escenarios para comprobar que se cumplen sus requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los flujos críticos para el control ferroviario, como European Train Control System (ETCS) o Communication-Based Train Control (CBTC), necesitan una alta fiabilidad y un retardo bajo en las comunicaciones para garantizar el correcto funcionamiento del sistema.[Abstract] The fourth and fifth generation wireless communication systems (4G and 5G) use a physical layer (PHY) based on multicarrier modulations for data transmission using high bandwidth. This type of modulations has shown to provide high spectral efficiency while allowing low complexity radio channel equalization. These systems use OFDMA as a mechanism for distributing the available radio resources among different users. This allocation is done by assigning a subset of subcarriers to each user in a given instant of time. This provides great flexibility to the system that allows it to adapt to both the quality of service requirements of users and the radio channel state. The media access layer (MAC) of these systems is in charge of configuring the multiple OFDMA PHY layer parameters, in addition to managing the data flows of each user, transforming the higher layer packets into PHY layer packets. This work studies the design and implementation of MAC and PHY layers of 4G communication systems as well as their applicability in rail transport systems. On the one hand, the design and implementation in real time of the WiMAX standard is addressed. The required mechanisms to establish bidirectional communications between a base station and several mobile devices are also evaluated. Moreover, a MAC layer and PHY layer implementation is presented, using a hardware architecture based in DSPs and FPGAs. Since this architecture has limited computational resources, the requirements of each processing block of the system are also studied in order to guarantee the real time operation of the complete system. On the other hand, the applicability of 4G systems to public transportation systems is also studied. Communications and signaling systems are a vital part of rail and metro transport systems. The wireless communications used by these systems must be robust and provide high reliability to enable the supervision, control and safety of rail traffic. To carry out this feasibility assessment, LTE communications network simulations are performed in rail transport environments to verify that reliability and safety requirements are met. Several simulations are carried out in order to evaluate the system performance and select the most appropriate system configuration in each case. Simulations of Wi-Fi based networks are also carried out, since it is the most used solution in subways, to compare the results with those obtained for LTE. To perform the simulations correctly, appropriate radio propagation models must be used. Both deterministic models and models based on the results of measurement campaigns in these scenarios are used in the simulations. The simulations use the different information flows present in the railway transportation systems to verify that its quality of service requirements are met. For example, critical flows for railway control, such as the European Train Control System (ETCS) or Communication-Based Train Control (CBTC), require high reliability and low delay communications to ensure the proper functioning of the system

Investigating the performance of transport infrastructure using real-time data and a scalable multi-modal agent based model

The idea that including more information in more dynamic and iterative ways is central to the promise of the big data paradigm. The hope is that via new data sources, such as remote sensors and mobile phones, the reliance on heavily simplified generalised functions for model inputs will be erased. This trade between idealised and actual empirical data will be matched with dynamic models which consider complexity at a fundamental level, inherently mirroring the systems they are attempting to replicate. Cloud computing brings the possibility of doing all of this, in less time than the simplified macro models of the past, thus enabling better answers and at the time of critical decision making junctures. This research was task driven - the question of high speed rail versus aviation led to an investigation into the simplifications and assumptions that back up many of the commonly held beliefs on the sustainability of different modes of transport. The literature ultimately highlighted the need for context specific information; actual load factors, actual journey times considering traffic/engineering works and so on. Thus, rather than being explicitly an exercise in answering a specific question, a specific question was used to drive the development of a tool which may hold promise for answering a range of transportation related questions. The original contributions of this work are, firstly the use of real-time data sources to quantify temporally and spatially dynamic network performance metrics (eg. journey times on different transport models) and secondly to organise these data sources in a framework which can handle the volume and type of the data and organise the data in a way so that it is useful for the dynamic agent based modelling of future scenarios.EPSRC I Case Studentship with Ove Arup & Partner