Mac-Phy Cross-Layer analysis and design of Mimo-Ofdm Wlans based on fast link adaptation

The latestWLAN standard, known as IEEE 802.11n, has notably increased the network capacity with respect to its predecessors thanks to the incorporation of the multipleinput multiple-output (MIMO) technology. Nonetheless, the new amendment, as its previous ones, does not specify how crucial configuration mechanisms, most notably the adaptive modulation and coding (AMC) algorithm should be implemented. The AMC process has proved essential to fully exploit the system resources in light of varying channel conditions. In this dissertation, a closed-loop AMC technique, referred to as fast link adaption (FLA) algorithm, that effectively selects themodulation and coding scheme (MCS) for multicarriermultiantennaWLAN networks is proposed. The FLA algorithm determines the MCS that maximizes the throughput while satisfying a quality of service (QoS) constraint, usually defined in the form of an objective packet error rate (PER). To this end, FLA uses a packet/bit error rate prediction methodology based on the exponential effective SNRmetric (EESM). The FLA algorithm performance has been evaluated under IEEE 802.11n systems that thanks to the incorporation of a feedbackmechanismare able to implement closed- loop AMC mechanisms. Initially, this AMC technique relies only on physical layer information but it is subsequently extended to also take into account themediumaccess control (MAC) sublayer performance. At the physical layer, the FLA algorithm has demonstrated its effectivity by performing very close to optimality in terms of throughput, while satisfying a prescribed PER constraint. The FLA algorithm has also been evaluated using imperfect channel information. It has been observed that the proposed FLA technique is rather robust against imperfect channel information, and only in highly-frequency selective channels, imperfect channel knowledge causes a noticeable degradation in throughput. At the MAC sublayer, the FLA algorithm has been complemented with a timeout strategy that weighs down the influence of the available channel information as this becomes outdated. This channel information outdate is caused by the MAC sublayer whose user multiplexing policy potentially results in large delays between acquiring the instant in which the channel state information is acquired and that in which the channel is accessed. Results demonstrate the superiority of FLA when compared to open-loop algorithms under saturated and non-saturated conditions and irrespective of the packet length, number of users, protocol (CSMA/CA or CDMA/E2CA) and access scheme (Basic Access or RTS/CTS). Additionally, several analytical models have been developed to estimate the system performance at the MAC sublayer. These models account for all operational details of the IEEE 802.11n MAC sublayer, such as finite number of retries, anomalous slot or channel errors. In particular, a semi-analytical model that assesses the MAC layer throughput under saturated conditions, considering the AMC performance is first introduced. Then, an analytical model that allows the evaluation of the QoS performance under non-saturated conditions is presented. This model focuses on single MCS and it is able to accurately predict very important system performance metrics such as blocking probability, delay, probability of discard or goodput thanks to the consideration of the finite queues on each station. Finally, the previous non-saturated analytical approach is used to define a semi-analytical model in order to estimate the system performance when considering AMC algorithms (i.e. whenmultiple MCSs are available)La darrera versió de l’estàndard deWLAN, anomenada IEEE 802.11n, ha augmentat la seva capacitat notablement en relació als sistemes anteriors gràcies a la incorporació de la tecnologia de múltiples antenes en transmissió i recepció (MIMO). No obstant això, la nova proposta, al igual que les anteriors, segueix sense especificar com s’han d’implementar elsmecanismes de configuraciómés crucials, un dels quals és l’algoritme de codificació imodulació adaptativa (AMC). Aquests algoritmes ja han demostrat la seva importància a l’hora demaximitzar el rendiment del sistema tenint en compte les condicions canviants del canal. En aquesta tesis s’ha proposat un algoritme AMC de llaç tancat, anomenat adaptació ràpida de l’enllaç (FLA), que selecciona eficientment l’esquema demodulació i codificació adaptativa per xarxes WLAN basades en arquitectures multiportadora multiantena. L’algoritme FLA determina el mode de transmissió capaç de maximitzar el throughput per les condicions de canal actuals, mentre satisfà un requisit de qualitat de servei en forma de taxa d’error per paquet (PER). FLA utilitza una metodologia de predicció de PER basada en l’estimació de la relació senyal renou (SNR) efectiva exponencial (EESM). El rendiment de l’algoritme FLA ha estat avaluat en sistemes IEEE 802.11n, ja que aquests, gràcies a la incorporació d’unmecanisme de realimentació demodes de transmissió, poden adoptar solucions AMC de llaç tancat. En una primera part, l’estudi s’ha centrat a la capa física i després s’ha estès a la subcapa MAC. A la capa física s’ha demostrat l’efectivitat de l’algoritme FLA aconseguint un rendiment molt proper al que ens proporcionaria un esquema AMC òptim en termes de throughput, alhora que es satisfan els requisits de PER objectiu. L’algoritme FLA també ha estat avaluat utilitzant informació imperfecte del canal. S’ha vist que l’algoritme FLA proposat és robust en front dels efectes d’estimació imperfecte del canal, i només en canals altament selectius en freqüència, la informació imperfecte del canal provoca una davallada en el rendiment en termes de throughput. A la subcapa MAC, l’algoritme FLA ha estat complementat amb una estratègia de temps d’espera que disminueix la dependència amb la informació de canal disponible a mesura que aquesta va quedant desfassada respecte de l’estat actual. Aquesta informació de canal desfassada és conseqüència de la subcapa MAC que degut a la multiplexació d’usuaris introdueix grans retards entre que es determina el mode de transmissió més adequat i la seva utilització per a l’accés al canal. Els resultats obtinguts han demostrat la superioritat de FLA respecte d’altres algoritmes de llaç obert en condicions de saturació i de no saturació, i independentment de la longitud de paquet, nombre d’usuaris, protocol (CSMA/CA i CSMA/E2CA) i esquema d’accés (Basic Access i RTS/CTS). Amés, s’han desenvolupat diversosmodels analítics per tal d’estimar el rendiment del sistema a la subcapa MAC. Aquests models consideren tots els detalls de funcionament de la subcapaMAC del 802.11n, comper exemple un nombre finit de retransmissions de cada paquet, l’slot anòmal o els errors introduïts pel canal. Inicialment s’ha proposat unmodel semi-analític que determina el throughtput en condicions de saturació, considerant el rendiment dels algoritmes AMC. Després s’ha presentat un model analític que estima el rendiment del sistema per condicions de no saturació, mitjançat elmodelat de cues finites a cada estació. Aquestmodel consideramodes de transmissió fixes i és capaç de determinar de manera molt precisa mètriques de rendimentmolt importants comsón la probabilitat de bloqueig de cada estació, el retard mitjà del paquets, la probabilitat de descart o la mesura del goodput. Finalment, el model analític de no saturació s’ha utilitzat per definir un model semi-analític per tal d’estimar el rendiment del sistema quan es considera l’ús d’algoritmes AMC

On a Joint Physical Layer and Medium Access Control Sublayer Design for Efficient Wireless Sensor Networks and Applications

Wireless sensor networks (WSNs) are distributed networks comprising small sensing devices equipped with a processor, memory, power source, and often with the capability for short range wireless communication. These networks are used in various applications, and have created interest in WSN research and commercial uses, including industrial, scientific, household, military, medical and environmental domains. These initiatives have also been stimulated by the finalisation of the IEEE 802.15.4 standard, which defines the medium access control (MAC) and physical layer (PHY) for low-rate wireless personal area networks (LR-WPAN). Future applications may require large WSNs consisting of huge numbers of inexpensive wireless sensor nodes with limited resources (energy, bandwidth), operating in harsh environmental conditions. WSNs must perform reliably despite novel resource constraints including limited bandwidth, channel errors, and nodes that have limited operating energy. Improving resource utilisation and quality-of-service (QoS), in terms of reliable connectivity and energy efficiency, are major challenges in WSNs. Hence, the development of new WSN applications with severe resource constraints will require innovative solutions to overcome the above issues as well as improving the robustness of network components, and developing sustainable and cost effective implementation models. The main purpose of this research is to investigate methods for improving the performance of WSNs to maintain reliable network connectivity, scalability and energy efficiency. The study focuses on the IEEE 802.15.4 MAC/PHY layers and the carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) based networks. First, transmission power control (TPC) is investigated in multi and single-hop WSNs using typical hardware platform parameters via simulation and numerical analysis. A novel approach to testing TPC at the physical layer is developed, and results show that contrary to what has been reported from previous studies, in multi-hop networks TPC does not save energy. Next, the network initialization/self-configuration phase is addressed through investigation of the 802.15.4 MAC beacon interval setting and the number of associating nodes, in terms of association delay with the coordinator. The results raise doubt whether that the association energy consumption will outweigh the benefit of duty cycle power management for larger beacon intervals as the number of associating nodes increases. The third main contribution of this thesis is a new cross layer (PHY-MAC) design to improve network energy efficiency, reliability and scalability by minimising packet collisions due to hidden nodes. This is undertaken in response to findings in this thesis on the IEEE 802.15.4 MAC performance in the presence of hidden nodes. Specifically, simulation results show that it is the random backoff exponent that is of paramount importance for resolving collisions and not the number of times the channel is sensed before transmitting. However, the random backoff is ineffective in the presence of hidden nodes. The proposed design uses a new algorithm to increase the sensing coverage area, and therefore greatly reduces the chance of packet collisions due to hidden nodes. Moreover, the design uses a new dynamic transmission power control (TPC) to further reduce energy consumption and interference. The above proposed changes can smoothly coexist with the legacy 802.15.4 CSMA/CA. Finally, an improved two dimensional discrete time Markov chain model is proposed to capture the performance of the slotted 802.15.4 CSMA/CA. This model rectifies minor issues apparent in previous studies. The relationship derived for the successful transmission probability, throughput and average energy consumption, will provide better performance predictions. It will also offer greater insight into the strengths and weaknesses of the MAC operation, and possible enhancement opportunities. Overall, the work presented in this thesis provides several significant insights into WSN performance improvements with both existing protocols and newly designed protocols. Finally, some of the numerous challenges for future research are described

Handoff management for infotainment services over vehicular networks

Intelligent Transportation Systems (ITS) has impulsed the vehicular communications at the present time. The vehicular communications field is a hot research topic and is attracting a great interest in the automotive industry and telecommunications. There are essentially two main lines of work: (1) communication services related to road safety and traffic information; and (2) information and entertainment services, also named infotainment services. These latter services include both transmitting multimedia (voice over IP, streaming, on-line gaming, etc.) and classic data services (e-mail, access to private networks, web browsing, file sharing, etc.). In this thesis we will focus on these infotainment services because further research in this immature research field is necessary and, until nowadays, the main effort of the research community regarding vehicular communication has been focused on road safety and traffic information. Vehicular nodes need to be reached from the Internet and vice versa to be able to access to infotainment services. While vehicles move along the road infrastructure, they change their wireless point of attachment to the network. During this process, connectivity breaks down until the vehicle is connected again to a new road side unit in its area. This disconnection causes a disruption in the communications. Fast handoffs are a crucial requirement for vehicular networks to avoid long disruption times, since the high speed of vehicular nodes involves suffering a lot of handoffs during an Internet connection. This thesis is focused on Vehicular-to-Infrastructure (V2I) real-time infotainment services. The main contributions of this thesis are: i) a new testing framework for V2I communications to be able to test infotainment services in an easy way; ii) the analysis of the deployability of infotainment video services in vehicular networks using mobility protocols; and iii) the development of a new TCP architecture that will provide a better performance for all TCP-based infotainment services in a vehicular scenario with handoffs. In this thesis, firstly, we propose a new testing framework for vehicular infotainment applications. This framework is a vehicular emulation platform that allows testing real applications installed on Linux virtual machines. Using emulation, we are able to evaluate the performance of real applications with real-time requirements, so we can test multimedia applications used to offer infotainment services in vehicular scenarios in a straightforward way. Secondly, using the testing framework implemented in the first part of the thesis, we have done a performance evaluation of an infotainment service. Among these services, we think that video on demand services on highways will be interesting for users, and generate revenue to network operators. So we evaluated how network-layer handoffs can limit the deployment of a video streaming service. According to the results obtained, driving at high speeds will be an issue for a correct playback of video content, even using fast handoffs techniques. Finally, we developed a new TCP architecture to enhance performance during handoffs. Most of the non-safety services on ITS rely on the Transport Control Protocol (TCP), one of the core protocols of the Internet Protocol Suite. However there exists several issues related to TCP and mobility that can affect to TCP performance, and these issues are particularly important in vehicular networks due to its high mobility. Using new IEEE 802.21 MIH services, we propose a new TCP architecture that is able to anticipate handoffs, permitting to resume the communication after a handoff, avoiding long delays caused by TCP issues and adapting the TCP parameters to the new characteristics of the network. Using the architecture proposed, the performance of TCP is enhanced, getting a higher overall throughput and avoiding TCP fairness issues between users.Els Sistemes de Transport Intel·ligents (ITS) han impulsat les comunicacions vehiculars en l'actualitat. Les comunicacions vehiculars és un camp d'investigació de moda, i està atraient un gran interès en la indústria automobilística i de les telecomunicacions. En el camp de les comunicacions vehiculars, hi ha principalment dues línies de treball: (1) serveis de comunicacions relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit; i (2) serveis d'informació i entreteniment, també anomenats serveis d'infotainment. Aquests últims inclouen tant serveis multimèdia (veu sobre IP, streaming, jocs on-line, etc.), com serveis clàssics de dades (correu electrònic, accés a xarxes privades, navegació web, compartir arxius, etc.). En aquesta tesi ens centrarem en aquests serveis d'infotainment ja que és necessari aprofundir en la investigació per aquests tipus de serveis, ja que, fins avui, els esforços de la comunitat científica en el camp de les comunicacions vehiculars s'ha centrat en els serveis relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit. Els nodes vehiculars necessiten tenir connexió a Internet per a poder tenir accés als serveis d'infotainment. Mentre els vehicles estan en moviment a través de la xarxa viària, els vehicles han d'anar canviant el punt de connexió sense fils amb la xarxa. Durant aquest procés de canvi de punt de connexió, anomenat handoff, es perd la connectivitat fins que el vehicle es reconnecta a un altre punt de connexió viària prop de la seva àrea. Aquesta desconnexió causa interrupcions en les comunicacions. Uns handoffs ràpids són bàsics a les xarxes vehiculars per a evitar llargs períodes d'interrupció durant les comunicacions, ja que la gran velocitat a la que es mouen els nodes vehiculars significa un gran nombre de handoffs durant una connexió a Internet. Aquesta tesi es centra en serveis d'infotaiment en temps real per a comunicacions Vehicle-a-Infraestructura (V2I). Les principals contribucions d'aquesta tesi son: i) un nou marc de proves per a les comunicacions (V2I) per a poder provar serveis d'infotainment d'una manera fàcil; ii) l'anàlisi de la viabilitat del desplegament de serveis d'infotainment de vídeo en xarxes vehiculars utilitzant protocols de mobilitat IP; i iii) el desenvolupament d'una nova arquitectura TCP que proporciona un millor funcionament per a tots aquells serveis d'infotainment basats en el protocol TCP en un escenari vehicular amb handoffs. En aquesta tesi, primer proposem un nou marc de proves per a aplicacions vehiculars d'infotainment. Aquest marc és una plataforma d'emulació vehicular que permet provar aplicacions reals instal·lades en màquines virtuals Linux. Utilitzant l'emulació, som capaços d'avaluar el rendiment d'aplicacions reals amb característiques de temps real. D'aquesta manera es poden avaluar aplicacions multimèdia utilitzades per oferir serveis d'infotainment d'una forma senzilla en escenaris vehiculars. Segon, utilitzant el marc de prova implementat en la primera part de la tesi, hem avaluat el rendiment d'un servei d'infotainment. Entre aquest tipus de servei, creem que els serveis de vídeo sota demanda en autopistes/autovies serà interessant pels usuaris i generarà beneficis per als operadors de la xarxa. Per tant, hem avaluat com els handoffs a nivell de la capa de xarxa poden limitar el desplegament d'un servei de streaming de vídeo sota demanda. D'acord amb els resultats obtinguts, conduir a grans velocitats podria ser un problema per a poder reproduir un vídeo correctament, tot i utilitzar tècniques de handoffs ràpids. Finalment, hem desenvolupat una nova arquitectura TCP per a millorar el rendiment del protocol durant els handoffs. La majoria dels serveis d'infotainment utilitzen el Protocol de Control de Transport (TCP), un dels principals protocols de la pila de protocols d'Internet. Però existeixen forces problemes relacionats amb l'ús de TCP i la mobilitat que n'afecta el rendiment, i aquests problemes són particular

Performance Optimization of Network Protocols for IEEE 802.11s-based Smart Grid Communications

The transformation of the legacy electric grid to Smart Grid (SG) poses numerous challenges in the design and development of an efficient SG communications network. While there has been an increasing interest in identifying the SG communications network and possible SG applications, specific research challenges at the network protocol have not been elaborated yet. This dissertation revisited each layer of a TCP/IP protocol stack which basically was designed for a wired network and optimized their performance in IEEE 802.11s-based Advanced Metering Infrastructure (AMI) communications network against the following challenges: security and privacy, AMI data explosion, periodic simultaneous data reporting scheduling, poor Transport Control Protocol (TCP) performance, Address Resolution Protocol (ARP) broadcast, and network interoperability. To address these challenges, layered and/or cross-layered protocol improvements were proposed for each layer of TCP/IP protocol stack. At the application layer, a tree-based periodic time schedule and a time division multiple access-based scheduling were proposed to reduce high contention when smart meters simultaneously send their reading. Homomorphic encryption performance was investigated to handle AMI data explosion while providing security and privacy. At the transport layer, a tree-based fixed Retransmission Timeout (RTO) setting and a path-error aware RTO that exploits rich information of IEEE 802.11s data-link layer path selection were proposed to address higher delay due to TCP mechanisms. At the network layer, ARP requests create broadcast storm problems in IEEE 802.11s due to the use of MAC addresses for routing. A secure piggybacking-based ARP was proposed to eliminate this issue. The tunneling mechanisms in the LTE network cause a downlink traffic problem to IEEE 802.11s. For the network interoperability, at the network layer of EPC network, a novel UE access list was proposed to address this issue. At the data-link layer, to handle QoS mismatch between IEEE 802.11s and LTE network, Dual Queues approach was proposed for the Enhanced Distributed Channel Access. The effectiveness of all proposed approaches was validated through extensive simulation experiments using a network simulator. The simulation results showed that the proposed approaches outperformed the traditional TCP/IP protocols in terms of end to end delay, packet delivery ratio, throughput, and collection time

Aprendizaje profundo por refuerzo aplicado al control de acceso en redes IEEE 802.11.

En estos últimos tiempos, las tecnologías de la información y la comunicación, apalancadas por la masificación en el acceso a internet, han modificado el comercio, la educación, el gobierno, la salud e incluso la forma en que las personas se relacionan afectivamente. Esta evolución se vio acelerada todavía más a raíz de la pandemia de COVID-19, donde muchas de las actividades tuvieron que ser migradas a una modalidad virtual (e.g. teletrabajo, videoconferencias, clases remotas). Las redes WLAN (Wireless Local Area Network) son probablemente la tecnología de acceso a internet más utilizada a nivel mundial y, en particular, el estándar IEEE 802.11, comercialmente conocido como Wi-Fi, ha sido el que ha proliferado como estándar de base para estas redes. Desde su primera publicación, se ha ido actualizando con el objetivo de adaptarse a las demandas de más dispositivos, más conexiones y mayores velocidades. Recientemente, se publicó su última enmienda, la IEEE 802.11ax, la cual introduce cambios radicales a nivel de acceso al medio en busca de una mayor eficiencia en el uso del espectro. Con ella, se plantean una serie de desafíos respecto de la asignación de recursos entre dispositivos de la nueva enmienda y de enmiendas anteriores (legacy), que siguen operando con el mecanismo de acceso al medio tradicional. Por otro lado, los avances en la capacidad de procesamiento y de almacenamiento de datos de los servidores de la actualidad habilitan la aplicación de técnicas de aprendizaje automático en diversas áreas de la industria. En particular, dentro de las telecomunicaciones, se vienen utilizando ampliamente para la optimización de procesos o recursos. Dada esta realidad y los desafíos mencionados respecto del reparto de recursos entre dispositivos 802.11ax y legacy, en el presente trabajo se estudia el potencial de la aplicación de técnicas de aprendizaje profundo por refuerzo (DRL) a la optimización del control de acceso al medio en redes IEEE 802.11. Este enfoque presenta ventajas respecto de los enfoques tradicionales (e.g. uso de modelos analíticos), ya que estos últimos funcionan bien solo bajo ciertas suposiciones y configuraciones cuasiestáticas o están limitados en su capacidad de generalización. En esta tesis se realizó una revisión y diagnóstico de la situación actual respecto de la nueva enmienda de IEEE 802.11, mediante simulaciones y pruebas con equipos comerciales. Las pruebas exhaustivas realizadas revelaron cierta inmadurez de las implementaciones de 802.11ax por el momento. Posteriormente, se propuso el método Enhanced - Centralized Contention Window Optimization with Deep Reinforcement Learning (E-CCOD), para aplicar DRL a la optimización del rendimiento de redes IEEE 802.11 mediante la predicción correcta de los valores de ventana de contención (un parámetro clave del mecanismo de control de acceso de estas redes). Se constató el funcionamiento satisfactorio de este método en distintos escenarios de operación realistas: envíos UDP y TCP, sentidos uplink, downlink y bidireccional, y variaciones en la cantidad de clientes y en el tráfico cursado. Por último, se lo extendió para operar en redes donde coexisten clientes de la nueva versión del estándar y de versiones anteriores, y se lo puso a prueba en un ejemplo de aplicación. A partir de los resultados obtenidos, es posible afirmar la viabilidad de aplicar técnicas de DRL a la optimización del control de acceso en redes IEEE 802.11

Novel Internet of Vehicles Approaches for Smart Cities

Smart cities are the domain where many electronic devices and sensors transmit data via the Internet of Vehicles concept. The purpose of deploying many sensors in cities is to provide an intelligent environment and a good quality of life. However, different challenges still appear in smart cities such as vehicular traffic congestion, air pollution, and wireless channel communication aspects. Therefore, in order to address these challenges, this thesis develops approaches for vehicular routing, wireless channel congestion alleviation, and traffic estimation. A new traffic congestion avoidance approach has been developed in this thesis based on the simulated annealing and TOPSIS cost function. This approach utilizes data such as the traffic average travel speed from the Internet of Vehicles. Simulation results show that the developed approach improves the traffic performance for the Sheffield the scenario in the presence of congestion by an overall average of 19.22% in terms of travel time, fuel consumption and CO2 emissions as compared to other algorithms. In contrast, transmitting a large amount of data among the sensors leads to a wireless channel congestion problem. This affects the accuracy of transmitted information due to the packets loss and delays time. This thesis proposes two approaches based on a non-cooperative game theory to alleviate the channel congestion problem. Therefore, the congestion control problem is formulated as a non-cooperative game. A proof of the existence of a unique Nash equilibrium is given. The performance of the proposed approaches is evaluated on the highway and urban testing scenarios. This thesis also addresses the problem of missing data when sensors are not available or when the Internet of Vehicles connection fails to provide measurements in smart cities. Two approaches based on l1 norm minimization and a relevance vector machine type optimization are proposed. The performance of the developed approaches has been tested involving simulated and real data scenarios

Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments

[ES] La introducción de soluciones tecnológicas en la agricultura permite reducir el uso de recursos y aumentar la producción de los cultivos. Además, la calidad del agua de regadío se puede monitorizar para asegurar la seguridad de los productos para el consumo humano. Sin embargo, la localización remota de la mayoría de los campos presenta un problema para proveer de cobertura inalámbrica a los nodos sensores y actuadores desplegados en los campos y los canales de agua para regadío. El trabajo presentado en esta tesis aborda el problema de habilitar la comunicación inalámbrica entre los dispositivos electrónicos desplegados para la monitorización de la calidad del agua y el campo a través de un protocolo de comunicación y arquitectura heterogéneos. La primera parte de esta tesis introduce los sistemas de agricultura de precisión (PA) y la importancia de la monitorización de la calidad del agua y el campo. Asimismo, las tecnologías que permiten la comunicación inalámbrica en sistemas PA y el uso de soluciones alternativas como el internet de las cosas bajo tierra (IoUT) y los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se introducen también. Después, se realiza un análisis en profundidad del estado del arte respecto a los sensores para la monitorización del agua, el campo y las condiciones meteorológicas, así como sobre las tecnologías inalámbricas más empleadas en PA. Además, las tendencias actuales y los desafíos de los sistemas de internet de las cosas (IoT) para regadío, incluyendo las soluciones alternativas introducidas anteriormente, han sido abordados en detalle. A continuación, se presenta la arquitectura propuesta para el sistema, la cual incluye las áreas de interés para las actividades monitorización que incluye las áreas de los canales y el campo. A su vez, la descripción y los algoritmos de operación de los nodos sensores contemplados para cada área son proporcionados. El siguiente capítulo detalla el protocolo de comunicación heterogéneo propuesto, incluyendo los mensajes y alertas del sistema. Adicionalmente, se presenta una nueva topología de árbol para redes híbridas LoRa/WiFi multisalto. Las funcionalidades específicas adicionales concebidas para la arquitectura propuesta están descritas en el siguiente capítulo. Éstas incluyen algoritmos de agregación de datos para la topología propuesta, un esquema de las amenazas de seguridad para los sistemas PA, algoritmos de ahorro de energía y tolerancia a fallos, comunicación bajo tierra para IoUT y el uso de drones para adquisición de datos. Después, los resultados de las simulaciones para las soluciones propuestas anteriormente son presentados. Finalmente, se tratan las pruebas realizadas en entornos reales para el protocolo heterogéneo presentado, las diferentes estrategias de despliegue de los nodos empleados, el consumo energético y la función de cuantificación de fruta. Estas pruebas demuestran la validez de la arquitectura y protocolo de comunicación heterogéneos que se han propuesto.[CA] La introducció de solucions tecnològiques en l'agricultura permet reduir l'ús de recursos i augmentar la producció dels cultius. A més, la qualitat de l'aigua de regadiu es pot monitoritzar per assegurar la qualitat dels productes per al consum humà. No obstant això, la localització remota de la majoria dels camps presenta un problema per a proveir de cobertura sense fils als nodes sensors i actuadors desplegats als camps i els canals d'aigua per a regadiu. El treball presentat en aquesta tesi tracta el problema d'habilitar la comunicació sense fils entre els dispositius electrònics desplegats per a la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp a través d'un protocol de comunicació i arquitectura heterogenis. La primera part d'aquesta tesi introdueix els sistemes d'agricultura de precisió (PA) i la importància de la monitorització de la qualitat de l'aigua i el camp. Així mateix, també s'introdueixen les tecnologies que permeten la comunicació sense fils en sistemes PA i l'ús de solucions alternatives com l'Internet de les coses sota terra (IoUT) i els vehicles aeris no tripulats (UAV). Després, es realitza una anàlisi en profunditat de l'estat de l'art respecte als sensors per a la monitorització de l'aigua, el camp i les condicions meteorològiques, així com sobre les tecnologies sense fils més emprades en PA. S'aborden les tendències actuals i els reptes dels sistemes d'internet de les coses (IoT) per a regadiu, incloent les solucions alternatives introduïdes anteriorment. A continuació, es presenta l'arquitectura proposada per al sistema, on s'inclouen les àrees d'interès per a les activitats monitorització en els canals i el camp. Finalment, es proporciona la descripció i els algoritmes d'operació dels nodes sensors contemplats per a cada àrea. El següent capítol detalla el protocol de comunicació heterogeni proposat, així como el disseny del missatges i alertes que el sistema proposa. A més, es presenta una nova topologia d'arbre per a xarxes híbrides Lora/WiFi multi-salt. Les funcionalitats específiques addicionals concebudes per l'arquitectura proposada estan descrites en el següent capítol. Aquestes inclouen algoritmes d'agregació de dades per a la topologia proposta, un esquema de les alertes de seguretat per als sistemes PA, algoritmes d'estalvi d'energia i tolerància a fallades, comunicació per a IoUT i l'ús de drons per a adquisició de dades. Després, es presenten els resultats de les simulacions per a les solucions proposades. Finalment, es duen a terme les proves en entorns reals per al protocol heterogeni dissenyat. A més s'expliquen les diferents estratègies de desplegament dels nodes empleats, el consum energètic, així com, la funció de quantificació de fruita. Els resultats d'aquetes proves demostren la validesa de l'arquitectura i protocol de comunicació heterogenis propost en aquesta tesi.[EN] The introduction of technological solutions in agriculture allows reducing the use of resources and increasing the production of the crops. Furthermore, the quality of the water for irrigation can be monitored to ensure the safety of the produce for human consumption. However, the remote location of most fields presents a problem for providing wireless coverage to the sensing nodes and actuators deployed on the fields and the irrigation water canals. The work presented in this thesis addresses the problem of enabling wireless communication among the electronic devices deployed for water quality and field monitoring through a heterogeneous communication protocol and architecture. The first part of the dissertation introduces Precision Agriculture (PA) systems and the importance of water quality and field monitoring. In addition, the technologies that enable wireless communication in PA systems and the use of alternative solutions such as Internet of Underground Things (IoUT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are introduced as well. Then, an in-depth analysis on the state of the art regarding the sensors for water, field and meteorology monitoring and the most utilized wireless technologies in PA is performed. Furthermore, the current trends and challenges for Internet of Things (IoT) irrigation systems, including the alternate solutions previously introduced, have been discussed in detail. Then, the architecture for the proposed system is presented, which includes the areas of interest for the monitoring activities comprised of the canal and field areas. Moreover, the description and operation algorithms of the sensor nodes contemplated for each area is provided. The next chapter details the proposed heterogeneous communication protocol including the messages and alerts of the system. Additionally, a new tree topology for hybrid LoRa/WiFi multi-hop networks is presented. The specific additional functionalities intended for the proposed architecture are described in the following chapter. It includes data aggregation algorithms for the proposed topology, an overview on the security threats of PA systems, energy-saving and fault-tolerance algorithms, underground communication for IoUT, and the use of drones for data acquisition. Then, the simulation results for the solutions previously proposed are presented. Finally, the tests performed in real environments for the presented heterogeneous protocol, the different deployment strategies for the utilized nodes, the energy consumption, and a functionality for fruit quantification are discussed. These tests demonstrate the validity of the proposed heterogeneous architecture and communication protocol.García García, L. (2021). Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17422