μ\muNap: Practical Micro-Sleeps for 802.11 WLANs

In this paper, we revisit the idea of putting interfaces to sleep during 'packet overhearing' (i.e., when there are ongoing transmissions addressed to other stations) from a practical standpoint. To this aim, we perform a robust experimental characterisation of the timing and consumption behaviour of a commercial 802.11 card. We design $\mu$Nap, a local standard-compliant energy-saving mechanism that leverages micro-sleep opportunities inherent to the CSMA operation of 802.11 WLANs. This mechanism is backwards compatible and incrementally deployable, and takes into account the timing limitations of existing hardware, as well as practical CSMA-related issues (e.g., capture effect). According to the performance assessment carried out through trace-based simulation, the use of our scheme would result in a 57% reduction in the time spent in overhearing, thus leading to an energy saving of 15.8% of the activity time.Comment: 15 pages, 12 figure

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

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

Wake-up radio systems : design, development, performance evaluation and comparison to conventional medium access control protocols for wireless sensor networks

During the recent years, the research related to Wake-up Radio (WuR) systems has gained noticeable interest. In WuR systems, a node initiating a communication first sends a Wake-up Call (WuC) by means of its Wake-up Transmitter (WuTx), to the Wake-up Receiver (WuRx) of a remote node to activate it in an on-demand manner. Until the reception of the WuC, the node's MCU and main data transceiver are in sleep mode. Hence, WuR drastically reduce the power required by wireless nodes. This thesis provides a complete analysis of several WuR designs vs. conventional MAC protocols for Wireless Sensor Networks (WSN). The research is performed in an incremental fashion and includes hardware, softwar and simulation topics. WuR systems enable energy savings in plenty of different applications, e.g., retrieving information from environmental pollution sensors placed in a city by a mobile collector node, or activating a sleeping wireless AP. They are easy to program in and provide implicit synchronization. However, achieving a good WuRx design may become a challenge because power amplifiers cannot be used for the sake of energy. The system proposed in chapter 2 is a successful WuR system prototype. The so-called SµA-WuRx is less complex than commercial WuR systems, it is cheaper from the monetary point of view, requires several times less energy and allows for up to 15 meters of communication, an adequate value for WuR systems. However, the system can be improved by including several desirable features, such as longer operational ranges and/or addressing mechanisms. The so-called Time-Knocking (TicK) addressing strategy, analyzed in chapter 3, enables energy efficient node addressing by varying the time between WuCs received by a MCU. TicK allows for variable length addresses and multicast. A WuR system may not fit any possible application. Thus, while the SµA-WuRx and TicK efficiently solved many of the requirements of single-hop and data-collector applications, they lack of flexibility. Instead, SCM-WuR systems in chapter 4 feature an outstanding trade-off between hardware complexity, current consumption and operational range, and even enable multi-hop wake-up for long remote sensor measure collection. To contextualize the WuR systems developed, chapter 5 provides an overview of the most important WuR systems as of 2014. Developing a MAC protocol which performs acceptably in a wide range of diverse applications is a very difficult task. Comparatively, SCM-WuR systems perform properly in all the use cases (single and multi-hop) presented in chapter 6. Bluetooth Low Energy, or BLE, appears as a duty-cycled MAC protocol mainly targeting single-hop applications. Because of its clearly defined use cases and its integration with its upper application layers, BLE appears as an extremely energy-efficient protocol that cannot be easily replaced by WuR. Because of all these aspects, the performance of BLE is analyzed in chapter 7. Finally, chapter 8 tries to solve one of the issues affecting WuR systems, that is, the need for extra hardware. While this issue seems difficult to solve for WuRx, the chapter provides ideas to use IEEE 802.11-enabled devices as WuTx.Durant els últims anys, la investigació relativa als sistemes de Ràdios de Wake-up (de l'anglès Wake-up Radio, WuR) ha experimentat un interès notable. En aquests sistemes, un node inicia la comunicació inal.làmbrica transmetent una Wake-up Call (WuC), per mitjà del seu transmissor de Wake-up (WuTx), dirigida al receptor de Wake-up (WuRx) del node remot. Aquesta WuC activa el node remot, el microcontrolador (MCU) i la ràdio principals del qual han pogut romandre en mode "sleep" fins el moment. Així doncs, els sistemes WuR permeten un estalvi dràstic de l'energia requerida pels nodes sense fils. Aquesta tesi proposa diferents sistemes WuR i els compara amb protocols MAC existents per a xarxes de sensors sense fils (Wireless Sensor Networks, WSN). La investigació es realitza de forma progressiva i inclou hardware, software i simulació. Els sistemes WuR permeten un estalvi energètic notable en moltes aplicacions: recol¿lecció d'informació ambiental, activació remota de punts d'accés wi-fi, etc. Són fàcils de programar en software i comporten una sincronització implícita entre nodes. Malauradament, un consum energètic mínim impossibilita l'ús d'amplificadors de potència, i dissenyar-los esdevé un repte. El sistema presentat en el capítol 2 és un prototip exitós de sistema WuR. De nom SµA-WuR, és més senzill que alternatives comercials, és més econòmic, requereix menys energia i permet distàncies de comunicació WuR majors, de fins a 15 metres. L'estratègia d'adreçament Time-KnocKing, presentada en el capítol 3, permet dotar l'anterior SµA-WuR d'una forma d'especificar el node adreçat, permetent estalvi energètic a nivell de xarxa. TicK opera codificant el temps entre diferents WuC. Depenent del temps entre intervals, es desperten el/s node/s desitjats d'una forma extremadament eficient. Tot i els seus beneficis, hi ha aplicacions no implementables amb el sistema SµA-WuR. Per a aquest motiu, en el capítol 4 es presenta el sistema SCM-WuR, que ofereix un rang d'operació de 40 a 100 metres a canvi d'una mínima complexitat hardware afegida. SCM-WuR cobreix el ventall d'aplicacions del sistema SµA-WuRx, i també les que requereixen multi-hop a nivell WuR. El capítol 5 de la tesi compara els dos sistemes WuR anteriors vers les propostes més importants fins el 2014. El capítol 6 inclou un framework de simulació complet amb les bases per a substituir els sistemes basats en duty-cycling a WuR. Degut a que desenvolupar un protocol MAC que operi acceptablement bé en multitud d'aplicacions esdevé una tasca pràcticament impossible, els sistemes WuR presentats amb anterioritat i modelats en aquest capítol representen una solució versàtil, interessant i molt més eficient des del punt de vista energètic. Bluetooth Low Energy, o Smart, o BLE, representa un cas d'aplicació específica on, degut a la gran integració a nivell d'aplicació, la substitució per sistemes de WuR esdevé difícil Per a aquesta raó, i degut a que es tracta d'un protocol MAC extremadament eficient energèticament, aquesta tesi conté una caracterització completa de BLE en el capítol 7. Finalment, el capítol 8 soluciona un dels inconvenients del sistemes WuR, el disseny de WuTx específics, presentant una estratègia per a transformar qualsevol dispositiu IEEE 802.11 en WuTx

DESIGN OF RELIABLE AND SUSTAINABLE WIRELESS SENSOR NETWORKS: CHALLENGES, PROTOCOLS AND CASE STUDIES

Integrated with the function of sensing, processing, and wireless communication, wireless sensors are attracting strong interest for a variety of monitoring and control applications. Wireless sensor networks (WSNs) have been deployed for industrial and remote monitoring purposes. As energy shortage is a worldwide problem, more attention has been placed on incorporating energy harvesting devices in WSNs. The main objective of this research is to systematically study the design principles and technical approaches to address three key challenges in designing reliable and sustainable WSNs; namely, communication reliability, operation with extremely low and dynamic power sources, and multi-tier network architecture. Mathematical throughput models, sustainable WSN communication strategies, and multi-tier network architecture are studied in this research to address these challenges, leading to protocols for reliable communication, energy-efficient operation, and network planning for specific application requirements. To account for realistic operating conditions, the study has implemented three distinct WSN testbeds: a WSN attached to the high-speed rotating spindle of a turning lathe, a WSN powered by a microbial fuel cell based energy harvesting system, and a WSN with a multi-tier network architecture. With each testbed, models and protocols are extracted, verified and analyzed. Extensive research has studied low power WSNs and energy harvesting capabilities. Despite these efforts, some important questions have not been well understood. This dissertation addresses the following three dimensions of the challenge. First, for reliable communication protocol design, mathematical throughput or energy efficiency estimation models are essential, yet have not been investigated accounting for specific application environment characteristics and requirements. Second, for WSNs with energy harvesting power sources, most current networking protocols do not work efficiently with the systems considered in this dissertation, such as those powered by extremely low and dynamic energy sources. Third, for multi-tier wireless network system design, routing protocols that are adaptive to real-world network conditions have not been studied. This dissertation focuses on these questions and explores experimentally derived mathematical models for designing protocols to meet specific application requirements. The main contributions of this research are 1) for industrial wireless sensor systems with fast-changing but repetitive mobile conditions, understand the performance and optimal choice of reliable wireless sensor data transmission methods, 2) for ultra-low energy harvesting wireless sensor devices, design an energy neutral communication protocol, and 3) for distributed rural wireless sensor systems, understand the efficiency of realistic routing in a multi-tier wireless network. Altogether, knowledge derived from study of the systems, models, and protocols in this work fuels the establishment of a useful framework for designing future WSNs

Multitasking on Wireless Sensor Networks

A Wireless Sensor Network (WSN) is a loose interconnection among distributed embedded devices called motes. Motes have constrained sensing, computing, and communicating resources and operate for a long period of time on a small energy supply. Although envisioned as a platform for facilitating and inspiring a new spectrum of applications, after a decade of research the WSN is limited to collecting data and sporadically updating system parameters. Programming other applications, including those that have real-time constraints, or designing WSNs operating with multiple applications require enhanced system architectures, new abstractions, and design methodologies. This dissertation introduces a system design methodology for multitasking on WSNs. It allows programmers to create an abstraction of a single, integrated system running with multiple tasks. Every task has a dedicated protocol stack. Thus, different tasks can have different computation logics and operate with different communication protocols. This facilitates the execution of heterogeneous applications on the same WSN and allows programmers to implement a variety of system services. The services that have been implemented provide energy-monitoring, tasks scheduling, and communication between the tasks. The experimental section evaluates implementations of the WSN software designed with the presented methodology. A new set of tools for testbed deployments is introduced and used to test examples of WSNs running with applications interacting with the physical world. Using remote testbeds with over 100 motes, the results show the feasibility of the proposed methodology in constructing a robust and scalable WSN system abstraction, which can improve the run-time performance of applications, such as data collection and point-to-point streaming

Energy efficiency in wireless communications for mobile user devices

Mención Internacional en el título de doctorMobile user devices’ market has experi-enced an exponential growth worldwide over the last decade, and wireless communications are the main driver for the next generation of 5G networks. The ubiquity of battery-powered connected devices makes energy efficiency a major research issue. While most studies assumed that network interfaces dominate the energy consumption of wireless communications, a recent work unveils that the frame processing carried out by the device could drain as much energy as the interface itself for many devices. This discovery poses doubts on prior energy models for wireless communications and forces us to reconsider existing energy-saving schemes. From this standpoint, this thesis is de-voted to the study of the energy efficiency of mobile user devices at multiple layers. To that end, we assemble a comprehensive en-ergy measurement framework, and a robust methodology, to be able to characterise a wide range of mobile devices, as well as individual parts of such devices. Building on this, we first delve into the en-ergy consumption of frame processing within the devices’ protocol stack. Our results identify the CPU as the leading cause of this energy consumption. Moreover, we discover that the characterisation of the energy toll ascribed to the device is much more complex than the previous work showed. Devices with complex CPUs (several frequencies and sleep states) require novel methodologies and models to successfully characterise their consumption. We then turn our attention to lower levels of the communication stack by investigating the behaviour of idle WiFi interfaces. Due to the design of the 802.11 protocol, together with the growing trend of network densification, WiFi devices spend a long time receiving frames addressed to other devices when they might be dormant. In order to mitigate this issue, we study the timing constraints of a commercial WiFi card, which is developed into a standard-compliant algorithm that saves energy during such transmissions. At a higher level, rate adaptation and power control techniques adapt data rate and output power to the channel conditions. However, these have been typically studied with other metrics rather than energy efficiency in mind (i.e., performance figures such as throughput and capacity). In fact, our analyses and sim-ulations unveil an inherent trade-off between throughput and energy efficiency maximisa-tion in 802.11. We show that rate adaptation and power control techniques may incur inef-ficiencies at mode transitions, and we provide energy-aware heuristics to make such decisions following a conservative approach. Finally, our research experience on simula-tion methods pointed us towards the need for new simulation tools commited to the middle-way approach: less specificity than complex network simulators in exchange for easier and faster prototyping. As a result, we developed a process-oriented and trajectory-based discrete-event simulation package for the R language, which is designed as a easy-to-use yet pow-erful framework with automatic monitoring capabilities. The use of this simulator in net-working is demonstrated through the energy modelling of an Internet-of-Things scenario with thousands of metering devices in just a few lines of code.El mercado de los dispositivos de usuario móviles ha experimentado un crecimiento exponencial a nivel mundial en la última década, y las comunicaciones inalámbricas son el principal motor de la siguiente generación de redes 5G. La ubicuidad de estos dispos-itivos alimentados por baterías hace de la eficiencia energética un importante tema de investigación. Mientras muchos estudios asumían que la interfaz de red domina el consumo energético de las comuni-caciones inalámbricas, un trabajo reciente revela que el procesado de tramas que se lleva a cabo en el disposi-tivo podría gastar tanta energía como la propia interfaz para muchos dispositivos. Este descubrimiento plantea dudas sobre los anteriores modelos energéticos para comunicaciones inalámbricas y nos obliga a reconsid-erar los esquemas de ahorro energético existentes. Desde este punto de vista, esta tesis está dedicada al estudio de la eficiencia energética de dispositivos de usuario móviles en múltiples capas. Para ello, se construye un completo sistema de medida de energía, y una metodología robusta, capaz de caracterizar un amplio rango de dispositivos móviles, así como partes individuales de tales dispositivos. A partir de esto, en primer lugar se profundiza en el consumo energético del procesamiento de tramas en la pila de protocolos de los dispositivos. Nuestros resul-tados identifican a la CPU como principal causa de tal consumo. Además, se descubre que la caracterización de la cuota energética adscrita al dispositivo es mucho más compleja que lo mostrado por el trabajo ante-rior. Los dispositivos con CPU complejas (múltiples frecuencias y modos de apagado) requieren nuevas metodologías y modelos para caracterizar su consumo de manera existosa. En este punto, volvemos nuestra atención hacia niveles más bajos de la pila de comunicaciones para investigar el comportamiento de las interfaces WiFi en estado inactivo. Debido al diseño del protocolo 802.11, junto con la tendencia creciente hacia la densifi-cación de las redes, los dispositivos WiFi pasan mucho tiempo recibiendo tramas destinadas a otros dispos-itivos cuando podrían estar apagados. Para mitigar este problema, se estudian las limitaciones temporales de una tarjeta WiFi comercial, lo que posteriormente se utiliza para desarrollar un algoritmo conforme con el estándar que es capaz de ahorrar energía durante dichas transmisiones. A un nivel más alto, las técnicas de adaptación de tasa y control de potencia adaptan la tasa de datos y la potencia de salida a las condiciones del canal. No obstante, estas técnicas han sido típicamente es-tudiadas con otras métricas en mente (i.e., figuras de rendimiento como la tasa total y la capacidad). De hecho, nuestros análisis y simulaciones desvelan un conflicto entre la maximización de la tasa total y la efi-ciencia energética en 802.11. Se muestra que las técni-cas de adaptación de tasa y control de potencia pueden incurrir en ineficiencias en los cambios de modo, y se proporcionan heurísticos para tomar tales decisiones de un modo conservador y eficiente energéticamente. Finalmente, nuestra experiencia investigadora en métodos de simulación nos hizo conscientes de la necesidad de nuevas herramientas de simulación comprometidas con un enfoque intermedio: menos especificidad que los complejos simuladores de re-des a cambio de facilidad y rapidez en el prototipado. Como resultado, se desarrolló un paquete de simu-lación por eventos discretos para el lenguaje R orien-tado a procesos y basado en trayectorias, el cual está diseñado como una herramienta fácil de utilizar a la par que potente con capacidad de monitorización au-tomática integrada. El uso de este simulador en redes se demuestra mediante el modelado en energía de un escenario de la Internet de las Cosas con miles de dis-positivos de medida en tan solo unas pocas líneas de código.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Juan Manuel López Soler.- Secretario: Francisco Valera Pintor.- Vocal: Paul Horatiu Patra

Cellular and Wi-Fi technologies evolution: from complementarity to competition

This PhD thesis has the characteristic to span over a long time because while working on it, I was working as a research engineer at CTTC with highly demanding development duties. This has delayed the deposit more than I would have liked. On the other hand, this has given me the privilege of witnessing and studying how wireless technologies have been evolving over a decade from 4G to 5G and beyond. When I started my PhD thesis, IEEE and 3GPP were defining the two main wireless technologies at the time, Wi-Fi and LTE, for covering two substantially complementary market targets. Wi-Fi was designed to operate mostly indoor, in unlicensed spectrum, and was aimed to be a simple and cheap technology. Its primary technology for coexistence was based on the assumption that the spectrum on which it was operating was for free, and so it was designed with interference avoidance through the famous CSMA/CA protocol. On the other hand, 3GPP was designing technologies for licensed spectrum, a costly kind of spectrum. As a result, LTE was designed to take the best advantage of it while providing the best QoE in mainly outdoor scenarios. The PhD thesis starts in this context and evolves with these two technologies. In the first chapters, the thesis studies radio resource management solutions for standalone operation of Wi-Fi in unlicensed and LTE in licensed spectrum. We anticipated the now fundamental machine learning trend by working on machine learning-based radio resource management solutions to improve LTE and Wi-Fi operation in their respective spectrum. We pay particular attention to small cell deployments aimed at improving the spectrum efficiency in licensed spectrum, reproducing small range scenarios typical of Wi-Fi settings. IEEE and 3GPP followed evolving the technologies over the years: Wi-Fi has grown into a much more complex and sophisticated technology, incorporating the key features of cellular technologies, like HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling and spatial reuse. On the other hand, since Release 13, cellular networks have also been designed for unlicensed spectrum. As a result, the two last chapters of this thesis focus on coexistence scenarios, in which LTE needs to be designed to coexist with Wi-Fi fairly, and NR, the radio access for 5G, with Wi-Fi in 5 GHz and WiGig in 60 GHz. Unlike LTE, which was adapted to operate in unlicensed spectrum, NR-U is natively designed with this feature, including its capability to operate in unlicensed in a complete standalone fashion, a fundamental new milestone for cellular. In this context, our focus of analysis changes. We consider that these two technological families are no longer targeting complementarity but are now competing, and we claim that this will be the trend for the years to come. To enable the research in these multi-RAT scenarios, another fundamental result of this PhD thesis, besides the scientific contributions, is the release of high fidelity models for LTE and NR and their coexistence with Wi-Fi and WiGig to the ns-3 open-source community. ns-3 is a popular open-source network simulator, with the characteristic to be multi-RAT and so naturally allows the evaluation of coexistence scenarios between different technologies. These models, for which I led the development, are by academic citations, the most used open-source simulation models for LTE and NR and havereceived fundings from industry (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) and federal agencies (NIST, LLNL) over the years.Aquesta tesi doctoral té la característica d’allargar-se durant un llarg període de temps ja que mentre treballava en ella, treballava com a enginyera investigadora a CTTC amb tasques de desenvolupament molt exigents. Això ha endarrerit el dipositar-la més del que m’hagués agradat. D’altra banda, això m’ha donat el privilegi de ser testimoni i estudiar com han evolucionat les tecnologies sense fils durant més d’una dècada des del 4G fins al 5G i més enllà. Quan vaig començar la tesi doctoral, IEEE i 3GPP estaven definint les dues tecnologies sense fils principals en aquell moment, Wi-Fi i LTE, que cobreixen dos objectius de mercat substancialment complementaris. Wi-Fi va ser dissenyat per funcionar principalment en interiors, en espectre sense llicència, i pretenia ser una tecnologia senzilla i barata. La seva tecnologia primària per a la convivència es basava en el supòsit que l’espectre en el que estava operant era de franc, i, per tant, es va dissenyar simplement evitant interferències a través del famós protocol CSMA/CA. D’altra banda, 3GPP estava dissenyant tecnologies per a espectres amb llicència, un tipus d’espectre costós. Com a resultat, LTE està dissenyat per treure’n el màxim profit alhora que proporciona el millor QoE en escenaris principalment a l’aire lliure. La tesi doctoral comença amb aquest context i evoluciona amb aquestes dues tecnologies. En els primers capítols, estudiem solucions de gestió de recursos de radio per a operacions en espectre de Wi-Fi sense llicència i LTE amb llicència. Hem anticipat l’actual tendència fonamental d’aprenentatge automàtic treballant solucions de gestió de recursos de radio basades en l’aprenentatge automàtic per millorar l’LTE i Wi-Fi en el seu espectre respectiu. Prestem especial atenció als desplegaments de cèl·lules petites destinades a millorar la eficiència d’espectre llicenciat, reproduint escenaris de petit abast típics de la configuració Wi-Fi. IEEE i 3GPP van seguir evolucionant les tecnologies al llarg dels anys: El Wi-Fi s’ha convertit en una tecnologia molt més complexa i sofisticada, incorporant les característiques clau de les tecnologies cel·lulars, com ara HARQ i la reutilització espacial. D’altra banda, des de la versió 13, també s’han dissenyat xarxes cel·lulars per a espectre sense llicència. Com a resultat, els dos darrers capítols d’aquesta tesi es centren en aquests escenaris de convivència, on s’ha de dissenyar LTE per conviure amb la Wi-Fi de manera justa, i NR, l’accés a la radio per a 5G amb Wi-Fi a 5 GHz i WiGig a 60 GHz. A diferència de LTE, que es va adaptar per funcionar en espectre sense llicència, NR-U està dissenyat de forma nativa amb aquesta característica, inclosa la seva capacitat per operar sense llicència de forma autònoma completa, una nova fita fonamental per al mòbil. En aquest context, el nostre focus d’anàlisi canvia. Considerem que aquestes dues famílies de tecnologia ja no estan orientades cap a la complementarietat, sinó que ara competeixen, i afirmem que aquesta serà el tendència per als propers anys. Per permetre la investigació en aquests escenaris multi-RAT, un altre resultat fonamental d’aquesta tesi doctoral, a més de les aportacions científiques, és l’alliberament de models d’alta fidelitat per a LTE i NR i la seva coexistència amb Wi-Fi a la comunitat de codi obert ns-3. ns-3 és un popular simulador de xarxa de codi obert, amb la característica de ser multi-RAT i, per tant, permet l’avaluació de manera natural d’escenaris de convivència entre diferents tecnologies. Aquests models, pels quals he liderat el desenvolupament, són per cites acadèmiques, els models de simulació de codi obert més utilitzats per a LTE i NR i que han rebut finançament de la indústria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) i agències federals (NIST, LLNL) al llarg dels anys.Esta tesis doctoral tiene la característica de extenderse durante mucho tiempo porque mientras trabajaba en ella, trabajaba como ingeniera de investigación en CTTC con tareas de desarrollo muy exigentes. Esto ha retrasado el depósito más de lo que me hubiera gustado. Por otro lado, gracias a ello, he tenido el privilegio de presenciar y estudiar como las tecnologías inalámbricas han evolucionado durante una década, de 4G a 5G y más allá. Cuando comencé mi tesis doctoral, IEEE y 3GPP estaban definiendo las dos principales tecnologías inalámbricas en ese momento, Wi-Fi y LTE, cumpliendo dos objetivos de mercado sustancialmente complementarios. Wi-Fi fue diseñado para funcionar principalmente en interiores, en un espectro sin licencia, y estaba destinado a ser una tecnología simple y barata. Su tecnología primaria para la convivencia se basaba en el supuesto en que el espectro en el que estaba operando era gratis, y así fue diseñado simplemente evitando interferencias a través del famoso protocolo CSMA/CA. Por otro lado, 3GPP estaba diseñando tecnologías para espectro con licencia, un tipo de espectro costoso. Como resultado, LTE está diseñado para aprovechar el espectro al máximo proporcionando al mismo tiempo el mejor QoE en escenarios principalmente al aire libre. La tesis doctoral parte de este contexto y evoluciona con estas dos tecnologías. En los primeros capítulos, estudiamos las soluciones de gestión de recursos de radio para operación en espectro Wi-Fi sin licencia y LTE con licencia. Anticipamos la tendencia ahora fundamental de aprendizaje automático trabajando en soluciones de gestión de recursos de radio para mejorar LTE y funcionamiento deWi-Fi en su respectivo espectro. Prestamos especial atención a las implementaciones de células pequeñas destinadas a mejorar la eficiencia de espectro licenciado, reproduciendo los típicos escenarios de rango pequeño de la configuración Wi-Fi. IEEE y 3GPP siguieron evolucionando las tecnologías a lo largo de los años: Wi-Fi se ha convertido en una tecnología mucho más compleja y sofisticada, incorporando las características clave de las tecnologías celulares, como HARQ, OFDMA, MU-MIMO, MAC scheduling y la reutilización espacial. Por otro lado, desde la Release 13, también se han diseñado redes celulares para espectro sin licencia. Como resultado, los dos últimos capítulos de esta tesis se centran en estos escenarios de convivencia, donde LTE debe diseñarse para coexistir con Wi-Fi de manera justa, y NR, el acceso por radio para 5G con Wi-Fi en 5 GHz y WiGig en 60 GHz. A diferencia de LTE, que se adaptó para operar en espectro sin licencia, NR-U está diseñado de forma nativa con esta función, incluyendo su capacidad para operar sin licencia de forma completamente independiente, un nuevo hito fundamental para los celulares. En este contexto, cambia nuestro enfoque de análisis. Consideramos que estas dos familias tecnológicas ya no tienen como objetivo la complementariedad, sino que ahora están compitiendo, y afirmamos que esta será la tendencia para los próximos años. Para permitir la investigación en estos escenarios de múltiples RAT, otro resultado fundamental de esta tesis doctoral, además de los aportes científicos, es el lanzamiento de modelos de alta fidelidad para LTE y NR y su coexistencia con Wi-Fi y WiGig a la comunidad de código abierto de ns-3. ns-3 es un simulador popular de red de código abierto, con la característica de ser multi-RAT y así, naturalmente, permite la evaluación de escenarios de convivencia entre diferentes tecnologías. Estos modelos, para los cuales lideré el desarrollo, son por citas académicas, los modelos de simulación de código abierto más utilizados para LTE y NR y han recibido fondos de la industria (Ubiquisys, WFA, SpiderCloud, Interdigital, Facebook) y agencias federales (NIST, LLNL) a lo largo de los años.Postprint (published version

Performance evaluation of wake-up radio based wireless body area network

Abstract. The last decade has been really ambitious in new research and development techniques to reduce energy consumption especially in wireless sensor networks (WSNs). Sensor nodes are usually battery-powered and thus have very limited lifetime. Energy efficiency has been the most important aspect to discuss when talking about wireless body area network (WBAN) in particular, since it is the bottleneck of these networks. Medium access control (MAC) protocols hold the vital position to determine the energy efficiency of a WBAN, which is a key design issue for battery operated sensor nodes. The wake-up radio (WUR) based MAC and physical layer (PHY) have been evaluated in this research work in order to contribute to the energy efficient solutions development. WUR is an on-demand approach in which the node is woken up by the wake-up signal (WUS). A WUS switches a node from sleep mode to wake up mode to start signal transmission and reception. The WUS is transmitted or received by a secondary radio transceiver, which operates on very low power. The energy benefit of using WUR is compared with conventional duty-cycling approach. As the protocol defines the nodes in WUR based network do not waste energy on idle listening and are only awakened when there is a request for communication, therefore, energy consumption is extremely low. The performance of WUR based MAC protocol has been evaluated for both physical layer (PHY) and MAC for transmission of WUS and data. The probabilities of miss detection, false alarm and detection error rates are calculated for PHY and the probabilities of collision and successful data transmission for channel access method Aloha is evaluated. The results are obtained to compute and compare the total energy consumption of WUR based network with duty cycling. The results prove that the WUR based networks have significant potential to improve energy efficiency, in comparison to conventional duty cycling approach especially, in the case of low data-reporting rate applications. The duty cycle approach is better than WUR approach when sufficiently low duty cycle is combined with highly frequent communication between the network nodes