Energy Efficiency in Hybrid Mobile and Wireless Networks

Wireless Internet access is almost pervasive nowadays, and many types of wireless networks can be used to access the Internet. However, along with this growth, there is an even greater concern about the energy consumption and efficiency of mobile devices as well as of the supporting networks, triggering the appearance of the concept of green communication. While some efforts have been made towards this direction, challenges still exist and need to be tackled from diverse perspectives. Cellular networks, WLANs, and ad hoc networks in the form of wireless mesh networks are the most popular technologies for wireless Internet access. The availability of such a variety of access networks has also paved the way to explore synergistic approaches for Internet access, leading to the concept of hybrid networks and relay communications. In addition, many mobile devices are being equipped with multiple interfaces, enabling them to operate in hybrid networks. In contrast, the improvements in the battery technology itself have not matched the pace of the emerging mobile applications. The situation becomes more sophisticated when a mobile device functions also as a relay node to forward other station’s data. In the literature, energy efficiency of mobile devices has been addressed from various perspectives such as protocol-level efforts, battery management efforts, etc. However, there is little work on energy efficiency in hybrid mobile and wireless networks and devices with heterogeneous connections. For example, when there are multiple networks available to a mobile device, how to achieve optimum long-term energy consumption of such a device is an open question. Furthermore, in today’s cellular networks, micro-, pico-, and femto-cells are the most popular network topologies in order to support high data rate services and high user density. With the growth of such small-cell solutions, the energy consumption of these networks is also becoming an important concern for operators. Towards this direction, various solutions have been proposed, ranging from deployment strategies for base stations to cooperative techniques etc. However, as base stations have the largest share in a network’s energy consumption, methods that allow lightly-loaded base stations sleep or be switched off are possible means as a feasible step towards green communications. In this dissertation, we tackle the above mentioned problems from two perspectives, i.e., mobile station’s and operator’s perspectives. More specifically, by taking into account the amount of transferred data in uplinks and downlinks individually for various components in a hybrid network, strategies are proposed to reduce mobile station’s battery energy consumption. For this purpose, other parameters such as link distance and remaining battery energy can also be considered for handover decision making, in order to maximize energy efficiency of the mobile station. To optimize long-term energy consumption of the mobile stations operated in such scenarios, a Markov decision process-based methodology is proposed as our contribution to this topic. Moreover, from operator’s perspective, a network energy conservation scheme which may switch off a base station is proposed for micro- or pico-cells scenarios. Both deterministic and probabilistic schemes are proposed for network energy conservation. The problems considered and the solutions proposed in this dissertation advance the frontiers of the research work within the theme of energy efficiency for mobile devices as well as hybrid mobile and wireless networks

Architecture for multi-technology real-time location systems

[Abstract] Indoor localization is a problem that has generated much interest in recent years. Proximity marketing, eHealth, smart-parking and smart-cities, security and emergency units, logistics management, or industrial control systems are some pf the sectors that have demanded new Location Based Services (LBSs). These services are usually implemented using Wireless Sensor Networks (WSNs), capable of transmitting and receiving Radio Frequency (RF) signals in order to locate mobile devices attached to vehicles, people, or animals. While systems based on satellite systems such as GPS work correctly in outdoor scenarios, indoor localization is still a challenging field of study. On one hand, signal propagation problems are common, not only due to reflections and scattering due to the building structures, but also because of signal attenuation and fading caused mainly by people in movement. To overcome these issues, most of the approaches use several WSNs with a combination of multiple wireless technologies, such asWiFi, ZigBee or Bluetooth, some of them also available in mobile devices such as smartphones and tablets. On the other hand, data received from multiple devices must be filtered and combined by means of location algorithms and techniques in order to obtain precise and robust Real-Time Location Systems (RTLSs). Therefore, it is common to implement hybrid location systems with support for several technologies at the same time. Nevertheless, the development of such systems entails a huge complexity. Thus, one of most widely accepted alternatives is the implementation of software architectures for localization, which provide several benefits. First, accessing to different kinds of hardware devices entails fewer platform and technology restrictions. Second, some common tasks are easier to perform, such as sensor data gathering and storage. Finally, architectures provide utilities for adding and retrieving localization data, user management, or the possibility of using several mapping and coordinate systems. In this work, we present several solutions for implementing software architectures for localization. First, we propose a mono-technology architecture using only Received Signal Strength (RSS) signal levels for ranging, which evolves into a much more complete multitechnology architecture in a second stage. The proposed approaches implement several functionalities that resolve most of the hybrid RTLS system requirements, such as: • Multi-technology. • Support for several coordinate systems and mapping applications. • Data fusion. • Protection and security for both data and user access. • Standardized API for remote access. • Support for off-line data queries, not only on-line data and in real-time. • Depending on different user roles, it eases their tasks at different access levels: registration of WSNs, building blueprints, anchor and mobile node networks registration, generic sensor support, addition and retrieval of measurements and raw sensor data, multiple query support for filtered position estimations, etc. Moreover, we also contributed with different WSN physical layer implementations and experiments. And, due to collaborations with other research groups at different universities we have contributed with a customized hardware and software solution for localization based on RFID technology, as well as with the design of new antenna models based on linear-arrays of Electromagnetically Coupled Patchs (ECPs), valid for improving the WSN communication performance.[Resumo]O problema da localización no interior de edificios foi adquirindo cada vez máis importancia nos últimos anos debido á enorme demanda de novos servizos baseados en localización (LBSs). que apareeeron en todo tipo de sectores como eHealth. marketing por proximidade. smartparking e smart--cities. seguridade e emerxencias. loxística ou control industrial, entre outros. Estes sistemas habitualmente estan baseados na implementación de redes de sensores sen fíos (WSN) capaces de transmitir ou recibir sinais de radio (RF) para localizar dispositivos móbiles. xeralmente adheridos a vehículos. persoas ou animais. Menlres que en exteriores os sistemas de satélites baseados en tecnoloxías corno GPS funcionan correctamente na maioría de entornos. a localización en interiores non é unha tarefa sinxela de resolver e afnda inelúe múltiples retos. Principalmente aparecen problemas de propagación debido ás reflexións e rebotes dos sinais nas estruturas dos edificios. pero tarDén debido a atenuaci6ns e apantallamentos ocasionados xeralrnente por xente en movemento. Para resolver estes problemac;; é necesario implementar ac;; redes de sensores utilizando unha ou varias tecnoloxías sen fíos (como WiFi. ZigBee ou Bluetooth). a1gunhas delas disponibles en terminais sen fíos como smartphones ou tablets. Pero. por outra parte. tamén é necesario o uso de múltiples algoritmos e técnicas de localización para filtrar e posiblemente combinar os datos destas tecnoloxías. permitindo obter así sistemas de localización en tempo real (RTLS) robustos e coa maior precisión posible. Deste xeito. a aproximación máis usual na actualidade para resolver estos problemas é a implementación de sistemas de localización híbridos que soporten múltiples tecnoloxías simultaneamente. Nembargantes. O desenvolvemento destes sistemas leva implícito unha gran complexidade. Unha das alternativas comunmente aceptada é a implementación dunha arquitectura de software para localización, a cal ofrece varias vantaxes. En primeiro lugar, permite minimizar o número de restricci6ns multi-plataforma e multi-tecnoloxía á hora de acceder a distintos tipos de dispositivos hardware. En segundo lugar. facilítase a realización de tarefas comúns como a recolección e o almacenamento das medicións de sensores. Ademais, proporcinánse mecanismos para inserir e recuperar datos de localización ase como xestión de usuarios ou manipulación de múltiple" sistemas de mapas e coordenadas. Neste traballo presentamos varias solucións á hora de implementar arquitecturas de software para localización. comenzando por unha mono-tecnoloxía baseada unicarnente na recolección de niveis de sinal RSS, que evoluciona posteriormente a unha arquitectura multi-tecnoloxía. As solucións propostas ofrecen diferentes funcionalidades que resolven moitos dos problemas asociados aos sistemas híbridos RTLS, entre as que podemos destacar: • Multi-tecnoloxía. • Soporte de múltiples sistemas de coordenadas e de aplicacións de mapas. • Fusión de datos. • Protección e seguridad, tanto de datos como de acceso de usuarios. • API estandarizado para acceso remoto. • Soporte de consultas de datos off-line, non só on-line e en tempo real. • Facilidade de uso para os diferentes usuarios que utilicen a plataforma mediante chamadas a varios niveis: rexistro de WSNs, planos de edificios, rexistro de redes de áncoras e de nodos móviles, soporte de sensores xenéricos, inserción e consulta de medici6ns e de datos sensoriais en ero. inserción e consulta de posicións estimadas por algoritmos de localización, etc. Tamén contribuimos con múltiples implementacións da capa física de WSNs e experimentos. E grazas á colaboración con outros grupos de investigación de diferentes universidades puidemos, por unha parte, contribuir cunha solución de hardware e software para localización baseada en tecnoloxía RFID e, por outra parte, no deseño de novos modelos de antenas baseados en arrays lineais de ECPs, válidos para mellorar o rendemento das comunicacións en WSNs.[Resumen] El problema de la localización en el interior de edificios ha ido adquiriendo cada vez más importancia en los últimos años debido a la enorme demanda de nuevos servicios basados en localización (LBSs), que han ido apareciendo en la industria en sectores de todo tipo como eHeallb, marketing por proximidad, smart-parking y smart-cities, seguridad y emergeocias, logística o control industrial, entre otros. Estos sistemas habitualmeote se basan en la implementación de redes de sensores inalámbricos (WSN) capaces de transmitir o recibir señales de radio (RF) para localizar dispositivos móviles, generalmente adheridos a vehículos, personas o artimales. Mientras que en exteriores los sistemas satelitales basados en tecnologías como GPS funcionan correctamente en la mayoría de entornos, la localización en inleriores todavía plantea múltiples retos y no es una tarea sencilla de resolver. Principalmente aparecen problemas de propagación debido a los reflejos y rebotes de las sefiales en las estructuras de los edificios, pero también debido a atenuaciones y apantallamientos ocasionados generalmente por gente en movimiento. Para resolver estos problemas es necesario implementar Jas redes de sensores utilizando una o varias tecnologías inalámbricas (como pueden ser WiFí, ZigBee o Bluetooth), algunas de ellas disportibles en terminales inalámbricos como smartphones o tablets. Pero, por otra parte, también es necesario el uso de múltiples algoritmos y técnicas de localización, para filtrar y posiblemente combinar los datos de estas tecnologías, permitiendo obtener así sistemas de localización en tiempo real (RTLS) robustos y con la mayor precisión posible. De este modo, la aproximación más usual en la actualidad para resolver estos problemas es la implementación de sistemas de localización híbridos que soporten múltiples tecnologías simultáneamente. No obstante, el desarrollo de estos sistemas lleva implícito una gran complejidad. Una de las alternativas comúnmente aceptada es la implementación de una arquitectura de software para localización, que ofrece varias ventajas. En primer lugar, permite minimizar el número de restricciones multi-plataforma y multi-tecnología a la hora de acceder a distintos tipos de dispositivos hardware. En segundo lugar, se facilitan tareas comunes como la recolección y almacenamiento de las mediciones de los sensores. Además. se proveen mecanismos para insertar y recuperar datos de localización así como gestión de usuarios o manejo de múltiples sistemas de mapas y coordenadas. En este trabajo presentamos varias soluciones a la hora de implementar arquitecturas de software para localización, empezando por una mono-tecnología basada únicamente en la recoleccion de niveles de señal RSS, que se evoluciona posteriormente a una arquitectura mllltitecnología. Las soluciones propuestas ofrecen diferentes funcionalidades que resuelven muchos de los problemas asociados a los sistemas híbridos RTLS, entre las que podemos destacar: Multi-tecnología. Soporte de múltiples sistemas de coordenadas y de aplicaciones de mapas. • Fusión de datos. • Protección y seguridad, tanto de datos como de acceso de usuarios. • API estandarizado para acceso remoto. • Soporte de consultas de datos off-line, no solo on-line y en tiempo real. • Facilidad de uso para los diferentes usuarios que utilicen la plataforma, mediante llamadas a varios rtiveles: registro de WSNs, planos de edificios, registro de redes de anchors y de nodos móviles, soporte de sensores genéricos, inserción y consulta de mediciones y de datos sensoriales en crudo, inserción y consulta de posiciones estimadas por algoritmos de localización, etc. También contribuimos con múltiples implementaciones de la capa física de WSNs y experimentos. y gracias a la colaboración Con otros grupos de investigación de diferentes universidades hemos podido, por una parte, contribuir con una soluciÓn de hardware y software para localización basada en tecnología RFID y, por otra parte, en el diseño de nuevos modelos de antenas basados en arrays lineales de ECPs, válidos para mejorar el rendimiento de las comunicaciones en WSNs