On the Design of Ambient Intelligent Systems in the Context of Assistive Technologies

The design of Ambient Intelligent Systems (AISs) is discussed in the context of assistive technologies. The main issues include ubiquitous communications, context awareness, natural interactions and heterogeneity, which are analyzed using some examples. A layered architecture is proposed for heterogeneous sub-systems integration with three levels of interactions that may be used as a framework to design assistive AISs.Ministerio de Ciencia y Tecnología TIC2001-1868-C0

Wireless Communications in the Era of Big Data

The rapidly growing wave of wireless data service is pushing against the boundary of our communication network's processing power. The pervasive and exponentially increasing data traffic present imminent challenges to all the aspects of the wireless system design, such as spectrum efficiency, computing capabilities and fronthaul/backhaul link capacity. In this article, we discuss the challenges and opportunities in the design of scalable wireless systems to embrace such a "bigdata" era. On one hand, we review the state-of-the-art networking architectures and signal processing techniques adaptable for managing the bigdata traffic in wireless networks. On the other hand, instead of viewing mobile bigdata as a unwanted burden, we introduce methods to capitalize from the vast data traffic, for building a bigdata-aware wireless network with better wireless service quality and new mobile applications. We highlight several promising future research directions for wireless communications in the mobile bigdata era.Comment: This article is accepted and to appear in IEEE Communications Magazin

Mobility management in 5G heterogeneous networks

In recent years, mobile data traffic has increased exponentially as a result of widespread popularity and uptake of portable devices, such as smartphones, tablets and laptops. This growth has placed enormous stress on network service providers who are committed to offering the best quality of service to consumer groups. Consequently, telecommunication engineers are investigating innovative solutions to accommodate the additional load offered by growing numbers of mobile users. The fifth generation (5G) of wireless communication standard is expected to provide numerous innovative solutions to meet the growing demand of consumer groups. Accordingly the ultimate goal is to achieve several key technological milestones including up to 1000 times higher wireless area capacity and a significant cut in power consumption. Massive deployment of small cells is likely to be a key innovation in 5G, which enables frequent frequency reuse and higher data rates. Small cells, however, present a major challenge for nodes moving at vehicular speeds. This is because the smaller coverage areas of small cells result in frequent handover, which leads to lower throughput and longer delay. In this thesis, a new mobility management technique is introduced that reduces the number of handovers in a 5G heterogeneous network. This research also investigates techniques to accommodate low latency applications in nodes moving at vehicular speeds

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)

Edge Computing for Extreme Reliability and Scalability

The massive number of Internet of Things (IoT) devices and their continuous data collection will lead to a rapid increase in the scale of collected data. Processing all these collected data at the central cloud server is inefficient, and even is unfeasible or unnecessary. Hence, the task of processing the data is pushed to the network edges introducing the concept of Edge Computing. Processing the information closer to the source of data (e.g., on gateways and on edge micro-servers) not only reduces the huge workload of central cloud, also decreases the latency for real-time applications by avoiding the unreliable and unpredictable network latency to communicate with the central cloud

The SMART handoff policy for millimeter wave heterogeneous cellular networks

The millimeter wave (mmWave) radio band is promising for the next-generation heterogeneous cellular networks (HetNets) due to its large bandwidth available for meeting the increasing demand of mobile traffic. However, the unique propagation characteristics at mmWave band cause huge redundant handoffs in mmWave HetNets that brings heavy signaling overhead, low energy efficiency and increased user equipment (UE) outage probability if conventional Reference Signal Received Power (RSRP) based handoff mechanism is used. In this paper, we propose a reinforcement learning based handoff policy named SMART to reduce the number of handoffs while maintaining user Quality of Service (QoS) requirements in mmWave HetNets. In SMART, we determine handoff trigger conditions by taking into account both mmWave channel characteristics and QoS requirements of UEs. Furthermore, we propose reinforcement-learning based BS selection algorithms for different UE densities. Numerical results show that in typical scenarios, SMART can significantly reduce the number of handoffs when compared with traditional handoff policies without learning