A Comprehensive Analysis of Literature Reported Mac and Phy Enhancements of Zigbee and its Alliances

Wireless communication is one of the most required technologies by the common man. The strength of this technology is rigorously progressing towards several novel directions in establishing personal wireless networks mounted over on low power consuming systems. The cutting-edge communication technologies like bluetooth, WIFI and ZigBee significantly play a prime role to cater the basic needs of any individual. ZigBee is one such evolutionary technology steadily getting its popularity in establishing personal wireless networks which is built on small and low-power digital radios. Zigbee defines the physical and MAC layers built on IEEE standard. This paper presents a comprehensive survey of literature reported MAC and PHY enhancements of ZigBee and its contemporary technologies with respect to performance, power consumption, scheduling, resource management and timing and address binding. The work also discusses on the areas of ZigBee MAC and PHY towards their design for specific applications

Spectrum handoff strategy for cognitive radio-based Mac in industrial wirless sensor and actuator networks

In this thesis, a Cognitive Radio(CR)-based MAC for Industrial Wireless Sensor and Actuator Network (IWSAN) applications is proposed. IWSANs are typically used for closed-loop control applications, and they demand strict requirements in terms of time and robustness. Low latency and low error rates are required in order not to endanger persons or machinery. Moreover, these applications operate in industrial environments such as factories or transport scenarios (as aeronautics or railway) where multipath fading and shadowing are present due to metal surfaces. Furthermore, interference from other communication systems or industrial machinery is also common in these environments. The proposed MAC, based on the CR paradigm, is capable of ensuring time and robustness requirements in industrial channels. In the process of designing the CR-based MAC for IWSAN applications, a comparison between several non-CR-based MACs and CR-based MACs has been carried out. This comparison, which allows stating the benefits of CR for these applications, is presented in this thesis. The performance of every MAC is determined theoretically using Network Calculus, and it is validated through OPNET simulations. CR solutions, due to their adaptability characteristics, are capable of avoiding interference and ensuring robustness in industrial environments. However, none of the selected MACs are capable of ensuring robustness without comprising time requirements, since interference is avoided but not in a bounded time. On the other hand, the MAC proposed in this thesis is capable of avoiding interference ensuring time and robustness requirements at the same time. This MAC is therefore suitable for IWSAN applications. To ensure a deterministic behavior against interference, a novel handoff algorithm, which detects interference and hops to another channel, has been proposed. This algorithm has been designed to be used jointly with one of the evaluated MACs. The detection of the interference and the hop to another channel is done in a bounded time, because the proposed algorithm detects interference while the system is transmitting. The performance of this proposal is evaluated using Network Calculus and OPNET simulations, and the results are compared with the system without the proposed handoff algorithm. The comparison of the results shows how the evaluated MAC is only capable of ensuring both time and robustness requirements when the proposed handoff strategy is used. Moreover, the spectrum sensing algorithm used to obtain information about the environment is delved and its performance is measured through MATLAB simulations. An energy detector has been chosen due to its simplicity. Also, a cyclostationary Modulation Classifier is presented and a simplification has been carried out allowing its implementation on real hardware. The Modulation Classifier is capable of distinguishing between OFDM, QPSK and GFSK signals. The performance of the algorithm is presented in this thesis for different signals and for different receiver impairments such as frequency offset, DC offset and I/Q imbalance. Finally, a cognitive platform to validate the spectrum sensing algorithms is presented. This platform has been designed using a Xilinx Virtex 6 FPGA by a working group composed of researchers from IK4-Ikerlan and Mondragon Unibertsitatea. The platform, which uses both spectrum sensing algorithms, is an Ethernet-to-RF bridge. It has been designed to replace an Ethernet wired link by a wireless one for IWSAN applications. The proposed platform ensures a reliable communication link against interference. In the proposed implementation, the energy detector is used by the transmitter in order to find a free channel to transmit data, whereas the modulation classifier is used by the receiver in order to distinguish between the signal transmitted by the RF-Ethernet bridge and other signals. In this way the receiver can find the channel where the transmitter is carrying out the communication.En esta tesis se propone una MAC basada en el paradigma de la Radio Cognitiva (RC) para redes de sensores y actuadores inalámbricos industriales. Estas redes se suelen utilizar para aplicaciones de control en lazo cerrado, que exigen requisitos estrictos de tiempo y robustez. Para no poner en peligro la salud de las personas o la maquinaria es necesario que la red asegure una baja latencia y una tasa baja de errores. Además, al trabajar en ambientes industriales como fábricas o transportes (trenes, aviones, etc.), estas redes tienen que hacer frente a canales con mucho desvanecimiento por multitrayecto y efecto sombra debido a las superficies metálicas. También es común en estos entornos que haya interferencias de otros sistemas de comunicaciones o de la propia maquinaria industrial. La MAC propuesta en esta tesis es capaz de asegurar los requisitos temporales y de robustez demandados trabajando en este tipo de entornos. En el proceso de diseño de la MAC basada en RC para redes de sensores y actuadores inalámbricos industriales, se ha llevado a cabo una comparación de diferentes MACs diseñadas para estas redes. Se han evaluado tanto MACs basadas en RC como no basadas en ella, estableciendo las ventajas de la RC para estas aplicaciones. La evaluación se ha llevado a cabo haciendo un estudio teórico mediante Network Calculus, cuyos resultados se han validado mediante simulaciones en OPNET. Los resultados muestran como la RC es capaz de evitar interferencias y asegurar robustez en ambientes industriales. Sin embargo, ninguna de las MACs seleccionadas ha conseguido asegurar ambos requisitos, temporales y de robustez, al mismo tiempo; se puede evitar las interferencias pero no sin comprometer los requisitos temporales de la aplicación. Sin embargo, la MAC propuesta es capaz de evitar interferencias asegurando al mismo tiempo los requisitos temporales y de robustez. Por lo tanto, la MAC propuesta es apropiada para este tipo de redes. Para asegurar el comportamiento determinista del sistema, se ha propuesto un novedoso algoritmo de handoff que es capaz de detectar una interferencia y saltar a otro canal. Este algoritmo se ha diseñado para ser utilizado conjuntamente con una de las MACs previamente evaluadas. La detección de la interferencia y el salto a otro canal se hace en un tiempo determinado de tiempo, ya que es posible detectar interferencias mientras el sistema está transmitiendo. Su rendimiento se ha evaluado mediante Network Calculus y simulaciones en OPNET, y se ha comparado con los resultados obtenidos con la MAC cuando no se utiliza el esquema propuesto. De la comparación se deduce que el esquema de handoff añade a la MAC la capacidad de asegurar a la vez los requisitos temporales y de robustez. Además, en la tesis se explica el algoritmo de spectrum sensing que la MAC utiliza para obtener información del entorno, y su rendimiento se ha estudiado mediante simulaciones en MATLAB. Debido a su simplicidad, se ha optado por un detector de energía para este propósito. También se presenta un clasificador de modulaciones cicloestacionario. Este clasificador ha sido simplificado todo lo posible para posibilitar su implementación en hardware real. El clasificador de modulaciones es capaz de distinguir entre señales OFDM, QPSK y GFSK. Su rendimiento se detalla para diferentes señales y para diferentes deficiencias presentes en el receptor, como son offset de frecuencia, offset de continua o desequilibrios I/Q. Por último, se presenta una plataforma cognitiva que se ha utilizado para validar los algoritmos de spectrum sensing. Un grupo de trabajo compuesto por investigadores de IK4-Ikerlan y Mondragon Unibertsitatea ha diseñado esta plataforma sobre una FPGA Virtex 6 de Xilinx. La plataforma, que utiliza los dos algoritmos de spectrum sensing, es un puente Ethernet-RF. Su objetivo es reemplazar un enlace cableado de Ethernet por uno inalámbrico para aplicaciones de redes de sensores y actuadores industriales. Gracias a los algoritmos de spectrum sensing, la plataforma es capaz de asegurar un enlace robusto ante interferencias. El detector de energía se utiliza en el transmisor para encontrar los posibles canales libres donde transmitir la información. Mientras que el clasificador de modulaciones se utiliza en el receptor para distinguir entre la señal del transmisor y otras posibles señales. Esto permite al receptor saber en qué canal de todos los posibles está el transmisor.Tesi honetan proposatzen da Irrati Kognitiboaren (IK) paradigman oinarritutako MAC bat industriako haririk gabeko sentsore eta eragingailuen sareetarako. Sare horiek begizta itxiko kontrol aplikazioetarako erabili ohi dira, denbora eta sendotasunaren aldetik baldintza ugari eskatzen dute eta. Pertsonen osasuna eta makinak arriskuan ez jartzeko, beharrezkoa da sareak latentzia eta hutsegite tasa txikiak bermatzea. Gainera, industri giroetan lan egiteko direnez, esaterako, lantegietan edo garraioetan (trenak, hegazkinak, etab.), sare horiek gai izan behar dira gainazal metalikoek eragiten dituzten ibilbide aniztunaren eta itzal efektuaren ondorioz asko barreiatzen diren kanalei aurre egiteko. Ingurune horien ohiko ezaugarria da, baita ere, beste komunikazio sistema batzuen edo industriako makinen beraien interferentziak egotea. Tesi honetan proposatzen den MACa gai da honelako inguruetan lan egiteko denborari eta sendotasunari dagokienez eskatzen dituen baldintzak ziurtatzeko. IKan oinarrituta haririk gabeko sentsore eta eragingailu industrialen sareetarako MACa diseinatzeko prozesuan, horrelako sareetarako aurkeztu diren hainbat MAC alderatu dira. IKan oinarritutako MACak zein bestelakoak ebaluatu dira, eta IKak aplikazio hauetarako dituen abantailak ezarri dira. Ebaluaziorako Network Calculus erabili da, zeinaren bidez azterketa teoriko bat egin baita, eta azterketaren emaitzak OPNETen simulazioak eginda baliozkotu dira. Emaitzek erakusten dutenez, IKa gai da industriako inguruneetan interferentziak ekidin eta sendotasuna ziurtatzeko. Halere, aukeratu diren MACetatik batek ere ez du lortu baldintza biak, denborari buruzkoa zein sendotasunari buruzkoa, aldi berean ziurtatzea; interferentziak ekidin daitezke, baina ez aplikazioaren denborari buruzko baldintzak arriskuan jarri gabe. Dena dela, proposatu den MACak portaera determinista bat ziurtatzen du interferentziekiko, eta aldi berean denborari eta sendotasunari buruzko baldintzak ere ziurtatzen ditu. Hortaz, MAC hau egokia da sare mota honetarako. Sistemaren portaera determinista ziurtatzeko, handoff algoritmo berritzailea proposatu da, zeina interferentzia bat antzeman eta beste kanal bat igarotzeko gai den. Algoritmo hori aurretik ebaluatutakoa MACetako batekin batera erabiltzeko diseinatu da. Interferentzia antzeman eta beste kanal batera salto egitea denbora jakin batean egiten da, izan ere, sistema transmititzen ari dela antzeman baitaitezke interferentziak. Network Calculusen bitartez eta OPNETeko simulazioen bitartez ebaluatu da sistemaren errendimendua, eta proposatutako eskema erabiltzen ez denean MACak ematen dituen emaitzekin alderatu da. Alderaketa horretatik ondorioztatzen denez, handoff eskemak denborari eta sendotasunari buruzko baldintzak batera ziurtatzeko ahalmena ematen dio MACari. Gainera, tesiak azaltzen du inguruneari buruzko informazioa eskuratzeko MACak erabiltzen duen spectrum sensing algoritmoa, eta bere errendimendua MATLABen simulazioak eginez aztertu da. Bere sinpletasuna dela eta, energia detektore bat aukeratu da asmo honetarako. Modulazio sailkatzaile zikloegonkor bat ere aurkezten da. Sailkapen hori ahalik eta gehien sinplifikatu da benetako hardwarean inplementatu ahal izateko. Modulazioen sailkatzaileak OFDM, QPSK eta GFSK seinaleak bereizi ditzake. Bere errendimendua hargailuan dauden seinale eta akats desberdinetarako zehazten da, esaterako maiztasunaren offset-a,zuzenaren offset-a edo I/Q desorekak. Bukatzeko, spectrum sensing-eko algoritmoak baliozkotzeko erabili den plataforma kognitibo bat aurkezten da. IK4-Ikerlaneko eta Mondragon Unibertsitateko ikertzailez osatutako lantalde batek diseinatu du plataforma hori Xilinxen Virtex 6 FPGA baten oinarrutz. Plataformak spectrum sensing-eko bi algoritmo erabiltzen ditu eta Ethernet-RF zubi bat da. Bere helburua da Etherneteko kable bidezko lotura bat haririk gabeko batekin ordeztea industriako sentsore eta eragingailuen sareetan aplikatzeko. Spectrum sensing-eko algoritmoei esker, plataformak lotura sendoa bermatu dezake interferentziak gertatzen direnean. Energia detektorea transmisorean erabiltzen da informazioa transmititzeko erabilgarri egon daitezkeen kanalak aurkitzeko. Modulazioen sailkatzailea, berriz, hargailuan erabiltzen da transmisorearen seinalea eta egon daitezkeen beste seinale batzuk bereizteko. Horri esker, hargailuak badaki posible diren kanal guztietatik non dagoen transmisorea

Recent Trends in Communication Networks

In recent years there has been many developments in communication technology. This has greatly enhanced the computing power of small handheld resource-constrained mobile devices. Different generations of communication technology have evolved. This had led to new research for communication of large volumes of data in different transmission media and the design of different communication protocols. Another direction of research concerns the secure and error-free communication between the sender and receiver despite the risk of the presence of an eavesdropper. For the communication requirement of a huge amount of multimedia streaming data, a lot of research has been carried out in the design of proper overlay networks. The book addresses new research techniques that have evolved to handle these challenges

Who wrote this scientific text?

The IEEE bibliographic database contains a number of proven duplications with indication of the original paper(s) copied. This corpus is used to test a method for the detection of hidden intertextuality (commonly named "plagiarism"). The intertextual distance, combined with the sliding window and with various classification techniques, identifies these duplications with a very low risk of error. These experiments also show that several factors blur the identity of the scientific author, including variable group authorship and the high levels of intertextuality accepted, and sometimes desired, in scientific papers on the same topic

Results analysis and validation - D5.3

Deliverable D5.3 del projecte OneFITPostprint (author’s final draft

State-of-the-Art Sensors Technology in Spain 2015: Volume 1

This book provides a comprehensive overview of state-of-the-art sensors technology in specific leading areas. Industrial researchers, engineers and professionals can find information on the most advanced technologies and developments, together with data processing. Further research covers specific devices and technologies that capture and distribute data to be processed by applying dedicated techniques or procedures, which is where sensors play the most important role. The book provides insights and solutions for different problems covering a broad spectrum of possibilities, thanks to a set of applications and solutions based on sensory technologies. Topics include: • Signal analysis for spectral power • 3D precise measurements • Electromagnetic propagation • Drugs detection • e-health environments based on social sensor networks • Robots in wireless environments, navigation, teleoperation, object grasping, demining • Wireless sensor networks • Industrial IoT • Insights in smart cities • Voice recognition • FPGA interfaces • Flight mill device for measurements on insects • Optical systems: UV, LEDs, lasers, fiber optics • Machine vision • Power dissipation • Liquid level in fuel tanks • Parabolic solar tracker • Force sensors • Control for a twin roto

L'intertextualité dans les publications scientifiques

La base de données bibliographiques de l'IEEE contient un certain nombre de duplications avérées avec indication des originaux copiés. Ce corpus est utilisé pour tester une méthode d'attribution d'auteur. La combinaison de la distance intertextuelle avec la fenêtre glissante et diverses techniques de classification permet d'identifier ces duplications avec un risque d'erreur très faible. Cette expérience montre également que plusieurs facteurs brouillent l'identité de l'auteur scientifique, notamment des collectifs de chercheurs à géométrie variable et une forte dose d'intertextualité acceptée voire recherchée

Analysis, characterization and optimization of the energy efficiency on softwarized mobile platforms

Mención Internacional en el título de doctorLa inminente 5ª generación de sistemas móviles (5G) está a punto de revolucionar la industria, trayendo una nueva arquitectura orientada a los nuevos mercados verticales y servicios. Debido a esto, el 5G Infrastructure Public Private Partnership (5G-PPP) ha especificado una lista de Indicadores de Rendimiento Clave (KPI) que todo sistema 5G tiene que soportar, por ejemplo incrementar por 1000 el volumen de datos, de 10 a 100 veces m´as dispositivos conectados o consumos energéticos 10 veces inferiores. Con el fin de conseguir estos requisitos, se espera expandir los despligues actuales usando mas Puntos de Acceso (PoA) incrementando así su densidad con múltiples tecnologías inalámbricas. Esta estrategia de despliegue masivo tiene una contrapartida en la eficiencia energética, generando un conflicto con el KPI de reducir por 10 el consumo energético. En este contexto, la comunidad investigadora ha propuesto nuevos paradigmas para alcanzar los requisitos impuestos para los sistemas 5G, siendo materializados en tecnologías como Redes Definidas por Software (SDN) y Virtualización de Funciones de Red (NFV). Estos nuevos paradigmas son el primer paso hacia la softwarización de los despliegues móviles, incorporando nuevos grados de flexibilidad y reconfigurabilidad de la Red de Acceso Radio (RAN). En esta tesis, presentamos primero un análisis detallado y caracterización de las redes móviles softwarizadas. Consideramos el software como la base de la nueva generación de redes celulares y, por lo tanto, analizaremos y caracterizaremos el impacto en la eficiencia energética de estos sistemas. La primera meta de este trabajo es caracterizar las plataformas software disponibles para Radios Definidas por Software (SDR), centrándonos en las dos soluciones principales de código abierto: OpenAirInterface (OAI) y srsLTE. Como resultado, proveemos una metodología para analizar y caracterizar el rendimiento de estas soluciones en función del uso de la CPU, rendimiento de red, compatibilidad y extensibilidad de dicho software. Una vez hemos entendido qué rendimiento podemos esperar de este tipo de soluciones, estudiamos un prototipo SDR construido con aceleración hardware, que emplea una plataformas basada en FPGA. Este prototipo está diseñado para incluir capacidad de ser consciente de la energía, permiento al sistema ser reconfigurado para minimizar la huella energética cuando sea posible. Con el fin de validar el diseño de nuestro sistema, más tarde presentamos una plataforma para caracterizar la energía que será empleada para medir experimentalmente el consumo energético de dispositivos reales. En nuestro enfoque, realizamos dos tipos de análisis: a pequeña escala de tiempo y a gran escala de tiempo. Por lo tanto, para validar nuestro entorno de medidas, caracterizamos a través de análisis numérico los algoritmos para la Adaptación de la Tasa (RA) en IEEE 802.11, para entonces comparar nuestros resultados teóricos con los experimentales. A continuación extendemos nuestro análisis a la plataforma SDR acelerada por hardware previamente mencionada. Nuestros resultados experimentales muestran que nuestra sistema puede en efecto reducir la huella energética reconfigurando el despligue del sistema. Entonces, la escala de tiempos es elevada y presentamos los esquemas para Recursos bajo Demanda (RoD) en despliegues de red ultra-densos. Esta estrategia está basada en apagar/encender dinámicamente los elementos que forman la red con el fin de reducir el total del consumo energético. Por lo tanto, presentamos un modelo analítico en dos sabores, un modelo exacto que predice el comportamiento del sistema con precisión pero con un alto coste computacional y uno simplificado que es más ligero en complejidad mientras que mantiene la precisión. Nuestros resultados muestran que estos esquemas pueden efectivamente mejorar la eficiencia energética de los despliegues y mantener la Calidad de Servicio (QoS). Con el fin de probar la plausibilidad de los esquemas RoD, presentamos un plataforma softwarizada que sigue el paradigma SDN, OFTEN (OpenFlow framework for Traffic Engineering in mobile Network with energy awareness). Nuestro diseño está basado en OpenFlow con funcionalidades para hacerlo consciente de la energía. Finalmente, un prototipo real con esta plataforma es presentando, probando así la plausibilidad de los RoD en despligues reales.The upcoming 5th Generation of mobile systems (5G) is about to revolutionize the industry, bringing a new architecture oriented to new vertical markets and services. Due to this, the 5G-PPP has specified a list of Key Performance Indicator (KPI) that 5G systems need to support e.g. increasing the 1000 times higher data volume, 10 to 100 times more connected devices or 10 times lower power consumption. In order to achieve these requirements, it is expected to expand the current deployments using more Points of Attachment (PoA) by increasing their density and by using multiple wireless technologies. This massive deployment strategy triggers a side effect in the energy efficiency though, generating a conflict with the “10 times lower power consumption” KPI. In this context, the research community has proposed novel paradigms to achieve the imposed requirements for 5G systems, being materialized in technologies such as Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). These new paradigms are the first step to softwarize the mobile network deployments, enabling new degrees of flexibility and reconfigurability of the Radio Access Network (RAN). In this thesis, we first present a detailed analysis and characterization of softwarized mobile networking. We consider software as a basis for the next generation of cellular networks and hence, we analyze and characterize the impact on the energy efficiency of these systems. The first goal of this work is to characterize the available software platforms for Software Defined Radio (SDR), focusing on the two main open source solutions: OAI and srsLTE. As result, we provide a methodology to analyze and characterize the performance of these solutions in terms of CPU usage, network performance, compatibility and extensibility of the software. Once we have understood the expected performance for such platformsc, we study an SDR prototype built with hardware acceleration, that employs a FPGA based platform. This prototype is designed to include energy-awareness capabilites, allowing the system to be reconfigured to minimize the energy footprint when possible. In order to validate our system design, we later present an energy characterization platform that we will employ to experimentally measure the energy consumption of real devices. In our approach, we perform two kind of analysis: at short time scale and large time scale. Thus, to validate our approach in short time scale and the energy framework, we have characterized though numerical analysis the Rate Adaptation (RA) algorithms in IEEE 802.11, and then compare our theoretical results to the obtained ones through experimentation. Next we extend our analysis to the hardware accelerated SDR prototype previously mentioned. Our experimental results show that our system can indeed reduce the energy footprint reconfiguring the system deployment. Then, the time scale of our analysis is elevated and we present Resource-on-Demand (RoD) schemes for ultradense network deployments. This strategy is based on dynamically switch on/off the elements that form the network to reduce the overall energy consumption. Hence, we present a analytic model in two flavors, an exact model that accurately predicts the system behaviour but high computational cost and a simplified one that is lighter in complexity while keeping the accuracy. Our results show that these schemes can effectively enhance the energy efficiency of the deployments and mantaining the Quality of Service (QoS). In order to prove the feasibility of RoD, we present a softwarized platform that follows the SDN paradigm, the OFTEN (Open Flow framework for Traffic Engineering in mobile Networks with energy awareness) framework. Our design is based on OpenFlow with energy-awareness functionalities. Finally, a real prototype of this framework is presented, proving the feasibility of the RoD in real deployments.FP7-CROWD (2013-2015) CROWD (Connectivity management for eneRgy Optimised Wireless Dense networks).-- H2020-Flex5GWare (2015-2017) Flex5GWare (Flexible and efficient hardware/software platforms for 5G network elements and devices).Programa de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Gramaglia , Marco.- Secretario: José Nuñez.- Vocal: Fabrizio Giulian