Congressos amb més articles Campus del Baix Llobregat (CBL) - 2011

Es presenta la llista de congressos en les que més han participat els autors del CBL ordenat per centres. Si el centre no apareix vol dir que els congressos en el que han participat els seus autors no están buidats a l’SCOPUS.Preprin

Green Cellular Networks: A Survey, Some Research Issues and Challenges

Energy efficiency in cellular networks is a growing concern for cellular operators to not only maintain profitability, but also to reduce the overall environment effects. This emerging trend of achieving energy efficiency in cellular networks is motivating the standardization authorities and network operators to continuously explore future technologies in order to bring improvements in the entire network infrastructure. In this article, we present a brief survey of methods to improve the power efficiency of cellular networks, explore some research issues and challenges and suggest some techniques to enable an energy efficient or "green" cellular network. Since base stations consume a maximum portion of the total energy used in a cellular system, we will first provide a comprehensive survey on techniques to obtain energy savings in base stations. Next, we discuss how heterogeneous network deployment based on micro, pico and femto-cells can be used to achieve this goal. Since cognitive radio and cooperative relaying are undisputed future technologies in this regard, we propose a research vision to make these technologies more energy efficient. Lastly, we explore some broader perspectives in realizing a "green" cellular network technologyComment: 16 pages, 5 figures, 2 table

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)

Energy-efficiency evaluation of a medium access control protocol for cooperative ARQ

Best Paper Award in Communications QoS, Reliability and Modelling. IEEE ICC 2011We present in this paper the evaluation of the energy consumption of PRCSMA, an 802.11-based medium access control protocol designed to coordinate the retransmissions from the relays in a wireless network implementing a Cooperative Automatic Retransmission Request (C-ARQ) scheme. A comparison in terms of energy efficiency with non-cooperative ARQ schemes (retransmissions performed only from the source) and with ideal C-ARQ (with perfect scheduling among the relays) is included in this paper. The main results show the conditions under which a C-ARQ scheme with PRCSMA outperforms, in terms of energy efficiency, non-cooperative ARQ schemes and also show that the overhead of the MAC layer cannot be neglected in order to accurately evaluate the performance of a C-ARQ scheme.Peer ReviewedAward-winnin

Protocoles coopératifs pour réseaux sans fil

La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) est l’une des techniques de base qui offre une diversité spatiale. Elle associe plusieurs antennes à l’émission et à la réception. En plus de la diversité spatiale, le système MIMO permet d’augmenter le gain de multiplexage sans avoir besoin de plus de bande passante ou de puissance d’émission. Cependant, la technique MIMO a des limites liées au coût d’installation de plusieurs antennes sur un terminal, et a l’écart minimal exigé entre les antennes. La communication coopérative a été proposée comme une technologie alternative, dans laquelle la diversité spatiale peut être réalisée en coordonnant plusieurs nœuds qui sont proches géographiquement pour former des réseaux d’antennes virtuelles. La coopération permet de lutter contre l’instabilité du canal radio et de faire face aux phénomènes qui le perturbent comme les évanouissements, les bruits, ou les interférences. Elle permet aussi d’améliorer les performances du système en termes de débit global, d’énergie consommée et d’interférences, etc. Dans le cadre des communications coopératives, nous avons proposé deux protocoles MAC coopératifs dans le contexte des réseaux ad hoc. La première proposition est le protocole RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine la coopération avec un mécanisme d’adaptation de débit. Lorsqu’un lien entre une source et une destination subit de mauvaises conditions de canal, une station relais est sélectionnée dans le voisinage des deux nœuds de sorte que la liaison directe à faible débit de transmission soit remplacée par un lien à deux sauts avec un débit de données plus élevé. La sélection du meilleur relais est fondée sur un processus de contention distribué. La procédure ne nécessite aucune connaissance de la topologie et aucune communication entre les relais potentiels. Lorsque la qualité de la liaison directe est bonne et que la transmission coopérative n’est pas nécessaire, le protocole fonctionne comme un mécanisme d’adaptation de débit. L’adaptation de débit de données est également réalisée sans aucune signalisation supplémentaire. La sélection du meilleur relais et l’adaptation de débit sont fondés sur des mesures instantanées du canal pour s’adapter aux conditions dynamiques du canal radio. Dans le but d’améliorer davantage les performances du système, nous avons proposé notre deuxième protocole MAC coopératif PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine un mécanisme d’adaptation de puissance et de débit (TPRC : Transmit Power and Rate Control) avec un mécanisme de coopération. C’est en cela que cette contribution se distingue des solutions proposées dans la littérature. Notre objectif avec cette contribution est d’atteindre une efficacité d’énergie pour la transmission des données tout en augmentant le débit global du réseau. PRACT propose d’ajuster dynamiquement la puissance et le débit de transmission en s’adaptant aux variations de la qualité du canal radio. Cela permet de gagner davantage dans l’énergie économisée. En outre, le contrôle de puissance, réduit les interférences et augmente la réutilisation spatiale entre cellules ad hoc adjacentes en utilisant la même fréquence de transmission. L’idée de base du protocole est de permettre à chaque nœud dans le réseau ad hoc de créer une table avec les combinaisons puissance-débit optimales, en se fondant seulement sur les spécifications de la carte réseau, à savoir, les débits de transmission possible et la consommation en énergie de la carte. Avec la connaissance des qualités des liens obtenue grâce à l’échange des trames de contrôle et en recherchant dans la table puissance-débit, les nœuds choisissent la stratégie de transmission la plus adaptée pour chaque transmission de trames de données, ainsi que le mode de transmission (direct ou coopératif). ABSTRACT : MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology is one of the basic techniques that offer a spatial diversity. It combines multiple antennas for transmission and reception. In addition to spatial diversity, MIMO can increase the multiplexing gain without requiring more bandwidth or transmit power. However, the MIMO technology has limitations related to the cost of installing multiple antennas on a terminal, and to the minimum distance required between antennas. The cooperative communication has been proposed as an alternative technology, in which the spatial diversity can be achieved by coordinating multiple nodes that are geographically close to form virtual antenna arrays. Cooperation helps to fight against the instability of the radio channel and deal with phenomena that disturb this channel like fading, noise or interference. It also improves system performance in terms of overall throughput, energy consumption and interference, etc. In the context of cooperative communications, we proposed two MAC protocols in the context of cooperative ad-hoc networks. The first proposal is the RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission) protocol. This protocol combines cooperation with a rate adaptation mechanism. When a link between a source and a destination suffers from poor channel conditions, a relay station is selected in the neighborhood of the two nodes so that the direct low data-rate link is replaced by a two-hop link with a higher data-rate. Selecting the best relay is based on a distributed contention process. The procedure requires no knowledge of the topology and no communication between the potential relay. When the quality of the direct link is good enough and the cooperative transmission is not necessary, the protocol operates as a rate adaptation mechanism. The data rate adaptation is also performed without any additional signaling. Both the best relay selection and the rate adaptation is based only on the instantaneous channel measurements to adapt to the dynamic conditions of the radio channel. In order to further improve the system performance, we proposed our second cooperative MAC protocol PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). This protocol combines a power and rate control mechanism (TPRC: Transmit Power and Rate Control) with a mechanism for cooperation, this feature distinguishes this contribution from the solutions proposed in the literature. Our objective with this contribution is to achieve energy efficiency for data transmission while increasing the overall throughput of the network. PRACT proposes to dynamically adjust dynamically the power and the transmission rate to adapt to the radio channel quality variations. This way more energy can be saved. In addition, the power control reduces interference and increases the spatial reuse between adjacent ad-hoc cells using the same channel transmission frequency. The basic idea of the protocol is to allow each node in the network to create a table with the best power-rate combinations, based only on the specifications of the network card, namely the possible transmission rates, transmit power levels and the power consumption of the card. With the knowledge of the qualities of links obtained through the exchange of the control frames and looking up in the power-rate table, the nodes choose the most suitable transmission strategy, for each data frame transmission, and the transmission mode (direct or cooperative)

Energy-efficient wireless communication schemes and real-time middleware for machine-to-machine networks

Esta tesis estudia sistemas Machine-to-Machine (M2M) en los que se ejecutan tareas de manera autónoma sin, o con mínima intervención humana. Los sistemas M2M están formados por dispositivos desplegados en un entorno que recolectan información relacionada con una tarea y la envían a aplicaciones para su proceso. Las aplicaciones optimizan estas tareas y responden a los dispositivos con comandos de control. Idealmente, después de configurar las políticas de tareas, los humanos son excluidos del lazo de control. Un importante caso de uso en M2M es la automatización de la red eléctrica, también conocido como Smart Grid, que se trata en esta tesis. Muchos escenarios M2M requieren dispositivos de bajo bitrate, bajo coste y que puedan ser fácilmente desplegables y mantenidos. Una solución adecuada son los dispositivos inalámbricos, alimentados por batería y de capacidades limitadas (con reducida potencia de procesado y memoria). Un bajo mantenimiento requiere años de vida, que sólo pueden conseguirse con protocolos de comunicación altamente eficientes energéticamente. En esta tesis nos centramos principalmente en las capas MAC y de enlace (especialmente en esquemas Cooperative Automatic Repeat Request) para mejorar la eficiencia energética de los dispositivos. Proponemos y evaluamos extensiones de Cooperative MAC para varios estándares como IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 y sus revisiones MAC. El transmisor radio de los dispositivos puede ponerse en estado de reposo cuando está inactivo, llevando a cortos periodos de activación (duty-cycle) en dispositivos de bajo bitrate, consiguiendo así un ahorro energético considerable. Dado que la capa MAC controla los estados de reposo de los transmisores radio, los esquemas de Duty-Cycle MAC son el pilar de las comunicaciones energéticamente eficientes. Por ello, en esta tesis diseñamos, analizamos y evaluamos esquemas Cooperative and Duty-Cycled ARQ (CDC-ARQ). CDC-ARQ se basa en la (re)transmisión dinámica de paquetes (dynamic packet forwarding) dependiendo del estado del canal inalámbrico. Cuantificamos las ganancias considerando enlaces inalámbricos de baja potencia con modelos realistas, que sufren efectos de apantallamiento (shadowing) desvanecimientos (fading) de canal, y presentamos las condiciones bajo las cuales CDC-ARQ consiguen mejores resultados que las técnicas estándar de forwarding. Finalmente, determinamos estrategias óptimas de selección de enlace y retransmisión para direct, multi-hop y CDC-ARQ forwarding. Los esquemas de comunicación inalámbricos energéticamente eficientes son adecuados, por ejemplo, para automatización de edificios y hogar, contribuyendo a un buen uso de la energía eléctrica en dichos escenarios. Después de considerar el entorno de dispositivos, la tesis se centra en las aplicaciones, al otro lado de los sistemas M2M. Las aplicaciones típicamente intercambian datos sobre amplias zonas con varios dispositivos remotos. Las técnicas de computación distribuida, estandarizadas e implementadas en plataformas middleware para sistemas M2M, facilitan este intercambio de datos. Los requisitos de comunicación de estas aplicaciones son diversos en términos de latencia, número de actualizaciones, número de dispositivos asociados, etc. Mientras que las soluciones middleware existentes tales como ETSI M2M satisfacen los requisitos de ciertas aplicaciones, dichas soluciones son inadecuadas para los requisitos de latencia de transmisión en tiempo real. Esta tesis propone y analiza modificaciones del ETSI M2M que mejoran el rendimiento en tiempo real. El análisis se ejemplifica con tres aplicaciones Smart Grid, una relacionada con la automatización del hogar y edificios, y las otras dos con la monitorización y control del flujo de potencia de la red eléctrica.This thesis studies emerging Machine-to-Machine (M2M) systems that execute automated tasks without, or with minimum human intervention. M2M systems consist of devices deployed in the field to collect task-related information and send it to remote applications for processing. The applications optimise the tasks and issue control commands back to the devices. Ideally, after configuring the task policies, humans are excluded from the control loop. A prominent and urgent M2M use case concentrates on the automation of the electric power grid, also known as Smart Grid, that is considered in the thesis. Many M2M scenarios require devices that are low-rate, low-cost and can be easily deployed and maintained. A fitting solution are wireless, battery-powered and resource-constrained devices (with limited processing power and memory). Low-maintenance requires years of lifetime, that can only be achieved with unprecedented energy efficiency of communication protocols. Specifically, we focus on the MAC and link layers in this thesis (especially on the Cooperative Automatic Repeat Request schemes) to improve the energy efficiency of the devices. Cooperative MAC extensions to the various standard technologies such as IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 and its MAC amendments are proposed and evaluated. The radio transceiver of a device can be put to sleep state when inactive, yielding very low duty-cycles for low-rate devices, and thus achieving significant energy savings. Since the MAC layer controls the radio transceiver sleep states, duty-cycled MAC schemes are the cornerstone of the energy-efficient communication schemes. To that end, Cooperative and Duty-Cycled ARQ (CDC-ARQ) scheme has been designed, analysed and evaluated in this thesis. CDC-ARQ is based on dynamic packet forwarding depending on the current state of the wireless channel. The benefits are quantified by considering realistic wireless low-power links that experience shadowing and multipath fading channel effects. The conditions under which CDC-ARQ outperforms the standard forwarding techniques are presented. Finally, optimal link selection and retransmission strategies are determined for direct, multi-hop or CDC-ARQ forwarding. The studied energy-efficient wireless schemes are suitable e.g. for home and building automation which can contribute to the efficient use of the electric power in homes and buildings. After considering the device domain, the focus of this thesis turns to the applications at the other end of the M2M system. The applications typically exchange data over wide areas with many remote devices. Distributed computing techniques facilitate this data exchange, standardised and implemented in the middleware platform for M2M systems. The communication requirements of these applications are diverse in terms of data latency, update rate, number of associated devices etc. While the existing middleware solutions such as ETSI M2M fully support communication requirements of some applications, the solution is inadequate when it comes to the real-time latency constraint. Some suitable upgrades that improve the real-time performance of data exchange in ETSI M2M middleware are analysed in the thesis. The analysis is exemplified with three Smart Grid applications, one related to the home and building automation and the other two concerned with monitoring and control of the power flow in the electric grid