Energy Efficiency in Communications and Networks

The topic of "Energy Efficiency in Communications and Networks" attracts growing attention due to economical and environmental reasons. The amount of power consumed by information and communication technologies (ICT) is rapidly increasing, as well as the energy bill of service providers. According to a number of studies, ICT alone is responsible for a percentage which varies from 2% to 10% of the world power consumption. Thus, driving rising cost and sustainability concerns about the energy footprint of the IT infrastructure. Energy-efficiency is an aspect that until recently was only considered for battery driven devices. Today we see energy-efficiency becoming a pervasive issue that will need to be considered in all technology areas from device technology to systems management. This book is seeking to provide a compilation of novel research contributions on hardware design, architectures, protocols and algorithms that will improve the energy efficiency of communication devices and networks and lead to a more energy proportional technology infrastructure

Underwater Acoustic Modems

© 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Due to the growing interest using underwater acoustic networks, there are more and more research papers about underwater communications. These papers are mainly focused on deployments and studies about the constraints of the underwater medium. The underwater acoustic channel is highly variable and the signal transmission can change according to environmental factors such as the temperature, pressure or salinity of the water. For this reason, it is important to know how these devices are developed and the maximum distance and data transfer rates they can achieve. To this end, this paper presents an exhaustive study of existing underwater acoustic modems where their main features are highlighted. We also review the main features of their hardware. All presented proposals in the research literature are compared with commercial underwater acoustic modems. Finally, we analyze different programs and improvements of existing network simulators that are often used to simulate and estimate the behavior of underwater networks.This work was supported by the Ministerio de Ciencia e Innovacion through the Plan Nacional de I+D+i 2008-2011 within the Subprograma de Proyectos de Investigacion Fundamental under Project TEC2011-27516. The associate editor coordinating the review of this paper and approving it for publication was Dr. Lei Shu. (Corresponding author: Jaime Lloret.)Sendra, S.; Lloret, J.; Jimenez, JM.; Parra-Boronat, L. (2015). Underwater Acoustic Modems. IEEE Sensors Journal. 16(11):4063-4071. https://doi.org/10.1109/JSEN.2015.2434890S40634071161

Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation

El concepto de entorno inteligente concibe un mundo donde los diferentes tipos de dispositivos inteligentes colaboran para conseguir un objetivo común. En este concepto, inteligencia hace referencia a la habilidad de adquirir conocimiento y aplicarlo de forma autónoma para conseguir el objetivo común, mientras que entorno hace referencia al mundo físico que nos rodea. Por tanto, un entorno inteligente se puede definir como aquel que adquiere conocimiento de su entorno y aplicándolo permite mejorar la experiencia de sus habitantes. La computación ubicua o generalizada permitirá que este concepto de entorno inteligente se haga realidad. Normalmente, el término de computación ubicua hace referencia al uso de dispositivos distribuidos por el mundo físico, pequeños y de bajo precio, que pueden comunicarse entre ellos y resolver un problema de forma colaborativa. Cuando esta comunicación se lleva a cabo de forma inalámbrica, estos dispositivos forman una red de sensores inalámbrica o en inglés, Wireless Sensor Network (WSN). Estas redes están atrayendo cada vez más atención debido al amplio espectro de aplicaciones que tienen, des de soluciones para el ámbito militar hasta aplicaciones para el gran consumo. Esta tesis se centra en las redes de sensores inalámbricas y subacuáticas o en inglés, Underwater Wireless Sensor Networks (UWSN). Estas redes, a pesar de compartir los mismos principios que las WSN, tienen un medio de transmisión diferente que cambia su forma de comunicación de ondas de radio a ondas acústicas. Este cambio hace que ambas redes sean diferentes en muchos aspectos como el retardo de propagación, el ancho de banda disponible, el consumo de energía, etc. De hecho, las señales acústicas tienen una velocidad de propagación cinco órdenes de magnitud menor que las señales de radio. Por tanto, muchos algoritmos y protocolos necesitan adaptarse o incluso rediseñarse. Como el despliegue de este tipo de redes puede ser bastante complicado y caro, se debe planificar de forma precisa el hardware y los algoritmos que se necesitan. Con esta finalidad, las simulaciones pueden resultar una forma muy conveniente de probar todas las variables necesarias antes del despliegue de la aplicación. A pesar de eso, un nivel de precisión adecuado que permita extraer resultados y conclusiones confiables, solamente se puede conseguir utilizando modelos precisos y parámetros reales. Esta tesis propone un ecosistema para UWSN basado en herramientas libres y de código abierto. Este ecosistema se compone de un modelo de recolección de energía y unmodelo de unmódemde bajo coste y bajo consumo con un sistema de activación remota que, junto con otros modelos ya implementados en las herramientas, permite la realización de simulaciones precisas con datos ambientales del tiempo y de las condiciones marinas del lugar donde la aplicación objeto de estudio va a desplegarse. Seguidamente, este ecosistema se utiliza con éxito en el estudio y evaluación de diferentes protocolos de transmisión aplicados a una aplicación real de monitorización de una piscifactoría en la costa del mar Mediterráneo, que es parte de un proyecto de investigación español (CICYT CTM2011-2961-C02-01). Finalmente, utilizando el modelo de recolección de energía, esta plataforma de simulación se utiliza para medir los requisitos de energía de la aplicación y extraer las necesidades de hardware mínimas.Climent Bayarri, JS. (2014). Contribution to Research on Underwater Sensor Networks Architectures by Means of Simulation [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3532

An Acoustic Modem Featuring a Multi-Receiver and Ultra-Low Power

[EN] Wireless technology for underwater communication possesses a wide range of potential application, but it is still a relatively unexplored area in many aspects concerning modems physical design. A step towards future deployment of underwater networks is the reduction of power consumption. Therefore, asynchronous wakeup systems need to be integrated within the physical layer design while avoiding the use of additional transducers. This paper offers a practical and generic solution to adapt data reception and transmission together with asynchronous wakeup sub-systems in acoustic underwater modem architectures using a low power and low cost solution. The proposal has been implemented in a real prototype with success.The translation of this paper was funded by the Universitat Politècnica de València, Spain.The authors gratefully acknowledge financial support from the CICYT. ANDREA: Automated Inspection and Remote Performance of Marine Fish Farms (CTM2011-29691-C02-01) and RIDeWAN: Research on Improvement of the Dependability of WSN-based Applications by Developing a Hybrid Monitoring Platform. (TIN2011-28435-C03-01).Sánchez Matías, AM.; Blanc Clavero, S.; Yuste Pérez, P.; Perles Ivars, A.; Serrano Martín, JJ. (2015). An Acoustic Modem Featuring a Multi-Receiver and Ultra-Low Power. Circuits and Systems. 6(1):1-12. https://doi.org/10.4236/cs.2015.61001S1126

Combinatorics-based energy conservation methods in wireless sensor networks

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Energy Balanced Strategies for Maximizing the Lifetime of Sparsely Deployed Underwater Acoustic Sensor Networks

Underwater acoustic sensor networks (UWA-SNs) are envisioned to perform monitoring tasks over the large portion of the world covered by oceans. Due to economics and the large area of the ocean, UWA-SNs are mainly sparsely deployed networks nowadays. The limited battery resources is a big challenge for the deployment of such long-term sensor networks. Unbalanced battery energy consumption will lead to early energy depletion of nodes, which partitions the whole networks and impairs the integrity of the monitoring datasets or even results in the collapse of the entire networks. On the contrary, balanced energy dissipation of nodes can prolong the lifetime of such networks. In this paper, we focus on the energy balance dissipation problem of two types of sparsely deployed UWA-SNs: underwater moored monitoring systems and sparsely deployed two-dimensional UWA-SNs. We first analyze the reasons of unbalanced energy consumption in such networks, then we propose two energy balanced strategies to maximize the lifetime of networks both in shallow and deep water. Finally, we evaluate our methods by simulations and the results show that the two strategies can achieve balanced energy consumption per node while at the same time prolong the networks lifetime

Analysis of MAC Strategies for Underwater Acoustic Networks

En esta tesis presentamos los protocolos MAC diseñados para redes acústicas subacuáticas, clasificándolos en amplias categorías, proporcionando técnicas de medición de rendimiento y análisis comparativo para seleccionar el mejor algoritmo MAC para aplicaciones específicas. Floor Acquisition Multiple Access (FAMA) es un protocolo MAC que se propuso para redes acústicas submarinas como medio para resolver los problemas de terminales ocultos y expuestos. Una versión modificada, Slotted FAMA, tenía como objetivo proporcionar ahorros de energía mediante el uso de ranuras de tiempo, eliminando así la necesidad de paquetes de control excesivamente largos en FAMA. Sin embargo, se ha observado que, debido al alto retraso de propagación en estas redes, el coste de perder un ACK es muy alto y tiene un impacto significativo en el rendimiento. Los mecanismos MultiACK y EarlyACK han sido analizados para el protocolo MACA, para mejorar su eficiencia. El mecanismo MultiACK aumenta la probabilidad de recibir al menos un paquete ACK al responder con un tren de paquetes ACK, mientras que el mecanismo EarlyACK evita la repetición de todo el ciclo de contención y transmisión de datos RTS / CTS enviando un ACK temprano. En esta investigación se presenta un análisis matemático de las dos variantes, los mecanismos MultiACK y EarlyACK, en Slotted FAMA. La investigación incluye las expresiones analíticas modificadas así como los resultados numéricos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando ns-3. Los resultados han sido probados y validados utilizando Excel y MATLAB. La evaluación del rendimiento de S-FAMA con dos variantes mostró un factor de mejora del 65,05% en la probabilidad de recibir un ACK correctamente utilizando el mecanismo MultiACK y del 60,58% en la prevención de la repetición del ciclo completo, con EarlyACK. El impacto de este factor de mejora en el retardo, el tamaño del paquete de datos y el rendimiento también se analiza. La energía de transmisión desperdiciada y consumida en los mecanismos MultiACK y EarlyACK se analizan y comparan con S-FAMA. El rendimiento se ha evaluado, alcanzando una mejora en ambos casos, en comparación con S-FAMA. Estos mecanismos tendrán una utilidad práctica en caso de pérdida de ACK, al ahorrar energía y tiempo en períodos críticos. Fecha de lectura de Tesis Doctoral: 28 septiembre 2018.Esta tesis presenta una investigación sobre los protocolos MAC utilizados en la comunicación subacuática para explorar el mundo submarino. Los protocolos MAC ayudan en el acceso al medio compartido y la recopilación de datos de los océanos, para monitorizar el clima y la contaminación, la prevención de catástrofes, la navegación asistida, la vigilancia estratégica y la exploración de los recursos minerales. Esta investigación beneficiará a sectores como las industrias militares, de petróleo y gas, pesquerías, compañías de instrumentación subacuática, organismos de investigación, etc. El protocolo MAC afecta la vida útil de las redes inalámbricas de sensores. La eficiencia energética de las redes acústicas submarinas se ve gravemente afectada por las propiedades típicas de la propagación de las ondas acústicas. Los largos retrasos de propagación y las colisiones de paquetes de datos dificultan la transmisión de los paquetes de datos, que contienen información útil para que los usuarios realicen tareas de supervisión colectivas. El objetivo de este estudio es proponer nuevos mecanismos para protocolos MAC diseñados para funcionar en redes acústicas submarinas, con el propósito de mejorar su rendimiento. Para alcanzar ese objetivo es necesario realizar un análisis comparativo de los protocolos existentes. Lo que además sienta un procedimiento metodológicamente correcto para realizar esa comparación. Como la comunicación subacuática depende de ondas acústicas, en el diseño de los protocolos de MAC submarinos surgen varios desafíos como latencia prolongada, ancho de banda limitado, largas demoras en la propagación, grandes tasas de error de bit, pérdidas momentáneas en las conexiones, severo efecto multicamino y desvanecimientos. Los protocolos MAC terrestres, si se implementan directamente, funcionarán de manera ineficiente

Applications of Prediction Approaches in Wireless Sensor Networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) collect data and continuously monitor ambient data such as temperature, humidity and light. The continuous data transmission of energy constrained sensor nodes is a challenge to the lifetime and performance of WSNs. The type of deployment environment is also and the network topology also contributes to the depletion of nodes which threatens the lifetime and the also the performance of the network. To overcome these challenges, a number of approaches have been proposed and implemented. Of these approaches are routing, clustering, prediction, and duty cycling. Prediction approaches may be used to schedule the sleep periods of nodes to improve the lifetime. The chapter discusses WSN deployment environment, energy conservation techniques, mobility in WSN, prediction approaches and their applications in scheduling the sleep/wake-up periods of sensor nodes