Optimización de problemas de varios objetivos desde un enfoque de eficiencia energética aplicado a redes celulares heterogéneas 5G usando un marco de conmutación de celdas pequeñas

This Ph.D. dissertation addresses the Many-Objective Optimization Problem (MaOP) study to reduce the inter-cell interference and the power consumption for realistic Centralized, Collaborative, Cloud, and Clean Radio Access Networks (C-RANs). It uses the Cell Switch-Off (CSO) scheme to switch-off/on Remote Radio Units (RRUs) and the Coordinated Scheduling (CS) technique to allocate resource blocks smartly. The EF1-NSGA-III (It is a variation of the NSGA-III algorithm that uses the front 1 to find extreme points at the normalization procedure extended in this thesis) algorithm is employed to solve a proposed Many-Objective Optimization Problem (MaOP). It is composed of four objective functions, four constraints, and two decision variables. However, the above problem is redefined to have three objective functions to see the performance comparison between the NSGA-II and EF1-NSGA-III algorithms. The OpenAirInterface (OAI) platform is used to evaluate and validate the performance of an indoor coverage system because most of the user-end equipment of next-generation cellular networks will be in an indoor environment. It constitutes the fastest growing 5G open-source platform that implements 3GPP technology on general-purpose computers, fast Ethernet transport ports, and Commercial-Off-The-Shelf (COTS) software-defined radio hardware. This document is composed of five contributions. The first one is a survey about testbed, emulators, and simulators for 4G/5G cellular networks. The second one is the extension of the KanGAL's NSGA-II code to implement the EF1-NSGA-III, adaptive EF1-NSGA-III (A-EF1-NSGA-III), and efficient adaptive EF1-NSGA-III (A$^2$-EF1-NSGA-III). They support up to 10 objective functions, manage real, integer, and binary decision variables, and many constraints. The above algorithms outperform other works in terms of the Inverted Generational Distance (IGD) metric. The third contribution is the implementation of real-time emulation methodologies for C-RANs using a frequency domain representation in OAI. It improves the average computation time 10-fold compared to the time domain without using Radio Frequency hardware and avoids their uncertainties. The fourth one is the implementation of the Coordination Scheduling (CS) technique as a proof-of-concept to validate the advantages of frequency domain methodologies and to allocate resource blocks dynamically among RRUs. Finally, a many-objective optimization problem is defined and solved with evolutionary algorithms where diversity is managed based on crowded-distance and reference points to reduce the power consumption for C-RANs. The solutions obtained are considered to control the scheduling task at the Radio Cloud Center (RCC) and to switch RRUs.Este disertación aborda el estudio del problema de optimización de varios objetivos (MaOP) para reducir la interferencia entre células y el consumo de energía para redes de acceso de radio en tiempo real, colaborativas, en la nube y limpias (C-RAN). Utiliza el esquema de conmutacion de celdas (CSO) para apagar / encender unidades de radio remotas (RRU) y la técnica de programación coordinada (CS) para asignar bloques de recursos de manera inteligente. El algoritmo EF1-NSGA-III (es una variación del algoritmo NSGA-III que usa el primer frente de pareto para encontrar puntos extremos en el procedimiento de normalización extendido en esta tesis) se utiliza para resolver un problema de optimización de varios objetivos (MaOP) propuesto. Se compone de cuatro funciones objetivos, cuatro restricciones y dos variables de decisión. Sin embargo, el problema anterior se redefine para tener tres funciones objetivas para ver la comparación de rendimiento entre los algoritmos NSGA-II y EF1-NSGA-III. La plataforma OpenAirInterface (OAI) se utiliza para evaluar y validar el rendimiento de un sistema de cobertura en interiores porque la mayoría del equipos móviles de las redes celulares de próxima generación estarán en un entorno interior. Ella constituye la plataforma de código abierto 5G de más rápido crecimiento que implementa la tecnología 3GPP en computadoras de uso general, puertos de transporte Ethernet rápidos y hardware de radio definido por software comercial (COTS). Este documento se compone de cinco contribuciones. La primera es una estudio sobre banco de pruebas, emuladores y simuladores para redes celulares 4G / 5G. El segundo es la extensión del código NSGA-II de KanGAL para implementar EF1-NSGA-III, EF1-NSGA-III adaptativo (A-EF1-NSGA-III) y EF1-NSGA-III adaptativo eficiente (A $^ 2$ -EF1-NSGA-III). Admiten hasta 10 funciones objetivas, gestionan variables de decisión reales, enteras y binarias, y muchas restricciones. Los algoritmos anteriores superan a otros trabajos en términos de la métrica de distancia generacional invertida (IGD). La tercera contribución es la implementación de metodologías de emulación en tiempo real para C-RAN utilizando una representación de dominio de frecuencia en OAI. Mejora el tiempo de cálculo promedio 10 veces en comparación con el dominio del tiempo sin usar hardware de radiofrecuencia y evita sus incertidumbres. El cuarto es la implementación de la técnica de Programación de Coordinación (CS) como prueba de concepto para validar las ventajas de las metodologías de dominio de frecuencia y asignar bloques de recursos dinámicamente entre las RRU. Finalmente, un problema de optimización de muchos objetivos se define y resuelve con algoritmos evolutivos en los que la diversidad se gestiona en función de la distancia de crouding y los puntos de referencia para reducir el consumo de energía de las C-RAN. Las soluciones obtenidas controlan la tarea de programación en Radio Cloud Center (RCC) y conmutan las RRU.Proyecto personal: Redes celulares de próxima generaciónDoctorad

A Test Methodology for Evaluating Cognitive Radio Systems

The cognitive radio field currently lacks a standardized test methodology that is repeatable, flexible, and effective across multiple cognitive radio architectures. Furthermore, the cognitive radio field lacks a suitable framework that allows testing of an integrated cognitive radio system and not solely specific components. This research presents a cognitive radio test methodology, known as CRATM, to address these issues. CRATM proposes to use behavior-based testing, in which cognition may be measured by evaluating both primary user and secondary user performance. Data on behavior based testing is collected and evaluated. Additionally, a unique means of measuring secondary user interference to the primary user is employed by direct measurement of primary user performance. A secondary user pair and primary user radio pair are implemented using the Wireless Open-Access Research platform and WARPLab software running in MATLAB. The primary user is used to create five distinct radio frequency environments utilizing narrowband, wideband, and non-contiguous waveforms. The secondary user response to the primary user created environments is measured. The secondary user implements a simple cognitive engine that incorporates energy-detection spectrum sensing. The effect of the cognitive engine on both secondary user and primary user performance is measured and evaluated

A SURVEY OF IMPLEMENTATION OF OPPORTUNISTIC SPECTRUM ACCESS ATTACK WITH ITS PREVENTIVE SENSING PROTOCOLS IN COGNITIVE RADIO NETWORKS

Recently, the expansive growth of wireless services, regulated by governmental agencies assigning spectrum to licensed users, has led to a shortage of radio spectrum. Since the FCC (Federal Communications Commissions) approved unlicensed users to access the unused channels of the reserved spectrum, new research areas seeped in, to develop Cognitive Radio Networks (CRN), in order to improve spectrum efficiency and to exploit this feature by enabling secondary users to gain from the spectrum in an opportunistic manner via optimally distributed traffic demands over the spectrum, so as to reduce the risk for monetary loss, from the unused channels. However, Cognitive Radio Networks become vulnerable to various classes of threats that decrease the bandwidth and spectrum usage efficiency. Hence, this survey deals with defining and demonstrating framework of one such attack called the Primary User Emulation Attack and suggests preventive Sensing Protocols to counteract the same. It presents a scenario of the attack and its prevention using Network Simulator-2 for the attack performances and gives an outlook on the various techniques defined to curb the anomaly

A survey of general-purpose experiment management tools for distributed systems

International audienceIn the field of large-scale distributed systems, experimentation is particularly difficult. The studied systems are complex, often nondeterministic and unreliable, software is plagued with bugs, whereas the experiment workflows are unclear and hard to reproduce. These obstacles led many independent researchers to design tools to control their experiments, boost productivity and improve quality of scientific results. Despite much research in the domain of distributed systems experiment management, the current fragmentation of efforts asks for a general analysis. We therefore propose to build a framework to uncover missing functionality of these tools, enable meaningful comparisons be-tween them and find recommendations for future improvements and research. The contribution in this paper is twofold. First, we provide an extensive list of features offered by general-purpose experiment management tools dedicated to distributed systems research on real platforms. We then use it to assess existing solutions and compare them, outlining possible future paths for improvements

An Experimental Framework for 5G Wireless System Integration into Industry 4.0 Applications

The fourth industrial revolution, or Industry 4.0 (I4.0), makes use of wireless technologies together with other industrial Internet-of-Things (IIoT) technologies, cyber–physical systems (CPS), and edge computing to enable the optimization and the faster re-configuration of industrial production processes. As I4.0 deployments are ramping up, the practical integration of 5G wireless systems with existing industrial applications is being explored in both Industry and Academia, in order to find optimized strategies and to develop guidelines oriented towards ensuring the success of the industrial wireless digitalization process. This paper explores the challenges arisen from such integration between industrial systems and 5G wireless, and presents a framework applicable to achieve a structured and successful integration. The paper aims at describing the different aspects of the framework such as the application operational flow and its associated tools, developed based on analytical and experimental applied research methodologies. The applicability of the framework is illustrated by addressing the integration of 5G technology into a specific industrial use case: the control of autonomous mobile robots. The results indicate that 5G technology can be used for reliable fleet management control of autonomous mobile robots in industrial scenarios, and that 5G can support the migration of the on-board path planning intelligence to the edge-cloud

Avionics systems integration technology

A very dramatic and continuing explosion in digital electronics technology has been taking place in the last decade. The prudent and timely application of this technology will provide Army aviation the capability to prevail against a numerically superior enemy threat. The Army and NASA have exploited this technology explosion in the development and application of avionics systems integration technology for new and future aviation systems. A few selected Army avionics integration technology base efforts are discussed. Also discussed is the Avionics Integration Research Laboratory (AIRLAB) that NASA has established at Langley for research into the integration and validation of avionics systems, and evaluation of advanced technology in a total systems context

Software defined wireless network (sdwn) for industrial environment: case of underground mine

Avec le développement continu des industries minières canadiennes, l’établissement des réseaux de communications souterrains avancés et sans fil est devenu un élément essentiel du processus industriel minier et ceci pour améliorer la productivité et assurer la communication entre les mineurs. Cette étude vise à proposer un système de communication minier en procurant une architecture SDWN (Software Defined Wireless Network) basée sur la technologie de communication LTE. Dans cette étude, les plateformes les plus importantes de réseau mobile 4G ont été étudiées, configurées et testées dans deux zones différentes : un tunnel de mine souterrain et un couloir intérieur étroit. Également, une architecture mobile combinant SDWN et NFV (Network Functions Virtualization) a été réalisée

μGIM - Microgrid intelligent management system based on a multi-agent approach and the active participation of end-users

[ES] Los sistemas de potencia y energía están cambiando su paradigma tradicional, de sistemas centralizados a sistemas descentralizados. La aparición de redes inteligentes permite la integración de recursos energéticos descentralizados y promueve la gestión inclusiva que involucra a los usuarios finales, impulsada por la gestión del lado de la demanda, la energía transactiva y la respuesta a la demanda. Garantizar la escalabilidad y la estabilidad del servicio proporcionado por la red, en este nuevo paradigma de redes inteligentes, es más difícil porque no hay una única sala de operaciones centralizada donde se tomen todas las decisiones. Para implementar con éxito redes inteligentes, es necesario combinar esfuerzos entre la ingeniería eléctrica y la ingeniería informática. La ingeniería eléctrica debe garantizar el correcto funcionamiento físico de las redes inteligentes y de sus componentes, estableciendo las bases para un adecuado monitoreo, control, gestión, y métodos de operación. La ingeniería informática desempeña un papel importante al proporcionar los modelos y herramientas computacionales adecuados para administrar y operar la red inteligente y sus partes constituyentes, representando adecuadamente a todos los diferentes actores involucrados. Estos modelos deben considerar los objetivos individuales y comunes de los actores que proporcionan las bases para garantizar interacciones competitivas y cooperativas capaces de satisfacer a los actores individuales, así como cumplir con los requisitos comunes con respecto a la sostenibilidad técnica, ambiental y económica del Sistema. La naturaleza distribuida de las redes inteligentes permite, incentiva y beneficia enormemente la participación activa de los usuarios finales, desde actores grandes hasta actores más pequeños, como los consumidores residenciales. Uno de los principales problemas en la planificación y operación de redes eléctricas es la variación de la demanda de energía, que a menudo se duplica más que durante las horas pico en comparación con la demanda fuera de pico. Tradicionalmente, esta variación dio como resultado la construcción de plantas de generación de energía y grandes inversiones en líneas de red y subestaciones. El uso masivo de fuentes de energía renovables implica mayor volatilidad en lo relativo a la generación, lo que hace que sea más difícil equilibrar el consumo y la generación. La participación de los actores de la red inteligente, habilitada por la energía transactiva y la respuesta a la demanda, puede proporcionar flexibilidad en desde el punto de vista de la demanda, facilitando la operación del sistema y haciendo frente a la creciente participación de las energías renovables. En el ámbito de las redes inteligentes, es posible construir y operar redes más pequeñas, llamadas microrredes. Esas son redes geográficamente limitadas con gestión y operación local. Pueden verse como áreas geográficas restringidas para las cuales la red eléctrica generalmente opera físicamente conectada a la red principal, pero también puede operar en modo isla, lo que proporciona independencia de la red principal. Esta investigación de doctorado, realizada bajo el Programa de Doctorado en Ingeniería Informática de la Universidad de Salamanca, aborda el estudio y el análisis de la gestión de microrredes, considerando la participación activa de los usuarios finales y la gestión energética de lascarga eléctrica y los recursos energéticos de los usuarios finales. En este trabajo de investigación se ha analizado el uso de conceptos de ingeniería informática, particularmente del campo de la inteligencia artificial, para apoyar la gestión de las microrredes, proponiendo un sistema de gestión inteligente de microrredes (μGIM) basado en un enfoque de múltiples agentes y en la participación activa de usuarios. Esta solución se compone de tres sistemas que combinan hardware y software: el emulador de virtual a realidad (V2R), el enchufe inteligente de conciencia ambiental de Internet de las cosas (EnAPlug), y la computadora de placa única para energía basada en el agente (S4E) para permitir la gestión del lado de la demanda y la energía transactiva. Estos sistemas fueron concebidos, desarrollados y probados para permitir la validación de metodologías de gestión de microrredes, es decir, para la participación de los usuarios finales y para la optimización inteligente de los recursos. Este documento presenta todos los principales modelos y resultados obtenidos durante esta investigación de doctorado, con respecto a análisis de vanguardia, concepción de sistemas, desarrollo de sistemas, resultados de experimentación y descubrimientos principales. Los sistemas se han evaluado en escenarios reales, desde laboratorios hasta sitios piloto. En total, se han publicado veinte artículos científicos, de los cuales nueve se han hecho en revistas especializadas. Esta investigación de doctorado realizó contribuciones a dos proyectos H2020 (DOMINOES y DREAM-GO), dos proyectos ITEA (M2MGrids y SPEAR), tres proyectos portugueses (SIMOCE, NetEffiCity y AVIGAE) y un proyecto con financiación en cascada H2020 (Eco-Rural -IoT)

5G and beyond networks

This chapter investigates the Network Layer aspects that will characterize the merger of the cellular paradigm and the IoT architectures, in the context of the evolution towards 5G-and-beyond, including some promising emerging services as Unmanned Aerial Vehicles or Base Stations, and V2X communications