Transmission strategies for wireless energy harvesting nodes

Over the last few decades, transistor miniaturization has enabled a tremendous increase in the processing capability of commercial electronic devices, which, combined with the reduction of production costs, has tremendously fostered the usage of the Information and communications Technologies (ICTs) both in terms of number of users and required data rates. In turn, this has led to a tremendous increment in the energetic demand of the ICT sector, which is expected to further grow during the upcoming years, reaching unsustainable levels of greenhouse gas emissions as reported by the European Council. Additionally, the autonomy of battery operated devices is getting reduced year after year since battery technology has not evolved fast enough to cope with the increase of energy consumption associated to the growth of the node¿s processing capability. Energy harvesting, which is known as the process of collecting energy from the environment by different means (e.g., solar cells, piezoelectric generators, etc.), has become a potential technology to palliate both of these problems. However, when energy harvesting modules are placed in wireless communication devices (e.g., sensor nodes or hand-held devices), traditional transmission strategies are no longer applicable because the temporal variations of the node¿s energy availability must be carefully accounted for in the design. Apart from not considering energy harvesting, traditional transmission strategies assume that the transmission radiated power is the unique energy sink in the node. This is a reasonable assumption when the transmission range is large, but it no longer holds for low consumption devices such as sensor nodes that transmit to short distances. As a result, classical transmission strategies become suboptimal in short-range communications with low consumption devices and new strategies should be investigated. Consequently, in this dissertation we investigate and design transmission strategies for Wireless Energy Harvesting Nodes (WEHNs) by paying a special emphasis on the different sinks of energy consumption at the transmitter(s). First, we consider a finite battery WEHN operating in a point-to-point link through a static channel and derive the transmission strategy that minimizes the transmission completion time of a set of data packets that become available dynamically over time. The transmission strategy has to satisfy causality constrains in data transmission and energy consumption, which impose that the node cannot transmit data that is not yet available nor consume energy that has not yet been harvested. Second, we consider a WEHN that has an infinite backlog of data to be transmitted through a point-to-point link in a time-varying linear vector Gaussian channel and study the linear precoding strategy that maximizes the mutual information given an arbitrary distribution of the input symbols while satisfying the Energy Causality Constraints (ECCs) at the transmitter. Next, apart from the transmission radiated power, we take into account additional energy sinks in the power consumption model and analyze how these energy sinks affect to the transmission strategy that maximizes the mutual information achieved by a WEHN operating in a point-to-point link. Finally, we consider multiple transmitter and receiver pairs sharing a common channel and investigate a distributed power allocation strategy that aims at maximizing the network sum-rate by taking into account the energy availability in the different transmitters and a generalized power consumption model.Durant les últimes dècades, la miniaturització del transistor i la reducció dels seus costos de fabricació han provocat un augment substancial del nombre de terminals de comunicacions i del tràfic de dades requerit per aquests dispositius. Així doncs, el consum energètic del sector de les Tecnologies de la Informació i Comunicacions ha incrementat notablement. A més a més, s’espera que aquest consum segueixi creixent durant els propers anys arribant a nivells insostenibles d’emissions de gasos d’efecte hivernacle segons ha informat el Consell Europeu. D’altra banda, la tecnologia de les bateries no ha evolucionat suficientment ràpid com per fer front a l’augment del consum energètic associat al creixement de la capacitat de processament dels dispositius. Això ha ocasionat que l’autonomia dels dispositius que operen amb bateries empitjori any rere any. Les energies renovables (per exemple, energia solar, cinètica, etc.) s’han convertit en una solució potencial per pal•liar aquests dos problemes. No obstant això, quan els dispositius de comunicació sense fils incorporen mòduls de captació d’energies renovables, les estratègies tradicionals de transmissió deixen de ser vàlides, ja que les variacions temporals de la disponibilitat d’energia en el dispositiu han de ser considerades en el disseny. A més a més, les estratègies de transmissió tradicionals assumeixen que la potència radiada és l’única font de consum energètic del node. Aquesta és una suposició raonable per distàncies de transmissió llargues, però deixa de ser vàlida quan es consideren dispositius de baix consum que transmeten en distàncies curtes. Com a resultat, les estratègies de transmissió clàssiques són subòptimes en comunicacions de curt abast amb dispositius de baix consum i per això, s’han d’investigar noves estratègies. En conseqüència, en aquesta tesi doctoral s’investiguen i es dissenyen noves estratègies de transmissió per nodes sense fils que operen amb energies renovables (WEHN) posant un èmfasi especial en les diferents fonts de consum d’energia en el transmissor. En primer lloc, la tesi investiga l’estratègia de transmissió en un enllaç¸ punt a punt a través d’un canal estàtic que minimitza el temps de transmissió d’un conjunt de paquets de dades que s’adquireixen al llarg del temps. L’estratègia de transmissió ha de satisfer les limitacions per causalitat en la transmissió de dades i en el consum d’energia les quals imposen que el node no pot transmetre dades que no han estat encara obtingudes o utilitzar energia que encara no ha estat adquirida. En segon lloc, es considera un WEHN que sempre disposa de dades per a transmetre a través d’un enllaç¸ punt a punt en un canal lineal Gaussià amb variacions temporals. En aquest escenari i, també, donada una distribució arbitrària dels símbols d’entrada, s’estudia l’estratègia de precodificació lineal que maximitza la informació mútua alhora que satisfà la causalitat d’energia en el transmissor. A continuació, a part de la potència radiada en transmissió, s’inclouen en el model de consum energètic els costos d’activació per accés al canal i per portadora. Donat aquest model, s’analitza com aquestes fonts de consum addicionals afecten a l’estratègia de transmissió que maximitza la informació mútua d’un WEHN que opera en un enllaç punt a punt. Finalment, la tesi considera diversos parells transmissor i receptor que comparteixen un canal comú i investiga una estratègia d’assignació de potència distribuïda la qual té com a objectiu maximitzar la suma de les taxes de transmissió dels diferents nodes tenint en compte la disponibilitat energètica en cada transmissor que està basada en un model de consum energètic generalitzat

Spatiotemporal Characteristics of the Largest HIV-1 CRF02_AG Outbreak in Spain: Evidence for Onward Transmissions

Background and Aim: The circulating recombinant form 02_AG (CRF02_AG) is the predominant clade among the human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1) non-Bs with a prevalence of 5.97% (95% Confidence Interval-CI: 5.41–6.57%) across Spain. Our aim was to estimate the levels of regional clustering for CRF02_AG and the spatiotemporal characteristics of the largest CRF02_AG subepidemic in Spain.Methods: We studied 396 CRF02_AG sequences obtained from HIV-1 diagnosed patients during 2000–2014 from 10 autonomous communities of Spain. Phylogenetic analysis was performed on the 391 CRF02_AG sequences along with all globally sampled CRF02_AG sequences (N = 3,302) as references. Phylodynamic and phylogeographic analysis was performed to the largest CRF02_AG monophyletic cluster by a Bayesian method in BEAST v1.8.0 and by reconstructing ancestral states using the criterion of parsimony in Mesquite v3.4, respectively.Results: The HIV-1 CRF02_AG prevalence differed across Spanish autonomous communities we sampled from (p < 0.001). Phylogenetic analysis revealed that 52.7% of the CRF02_AG sequences formed 56 monophyletic clusters, with a range of 2–79 sequences. The CRF02_AG regional dispersal differed across Spain (p = 0.003), as suggested by monophyletic clustering. For the largest monophyletic cluster (subepidemic) (N = 79), 49.4% of the clustered sequences originated from Madrid, while most sequences (51.9%) had been obtained from men having sex with men (MSM). Molecular clock analysis suggested that the origin (tMRCA) of the CRF02_AG subepidemic was in 2002 (median estimate; 95% Highest Posterior Density-HPD interval: 1999–2004). Additionally, we found significant clustering within the CRF02_AG subepidemic according to the ethnic origin.Conclusion: CRF02_AG has been introduced as a result of multiple introductions in Spain, following regional dispersal in several cases. We showed that CRF02_AG transmissions were mostly due to regional dispersal in Spain. The hot-spot for the largest CRF02_AG regional subepidemic in Spain was in Madrid associated with MSM transmission risk group. The existence of subepidemics suggest that several spillovers occurred from Madrid to other areas. CRF02_AG sequences from Hispanics were clustered in a separate subclade suggesting no linkage between the local and Hispanic subepidemics

Energy-efficient rate scheduling and power allocation for wireless energy harvesting nodes Asignación de potencia y tasa de transmisión para nodos que recolectan energía Assignació de potència i taxa de transmissió per a nodes que recol•lecten energia

English: Energy harvesting is increasingly gaining importance as a means to charge battery powered devices such as sensor nodes. Traditional rate scheduling and power allocation strategies for wireless nodes are no longer optimal when these nodes are able to harvest energy over time. Efficient transmission strategies must be %developed taking into account the availability of energy and data in the node. In this thesis, we have considered that both data and energy arrivals are produced following a packetized model. We have assumed that the node has from beforehand full knowledge of the arrival times and quantities (either bits or Joules) of the packets. This thesis solves three different problems for wireless energy harvesting nodes. First, we find the best rate scheduling strategy for a wireless energy harvesting node with finite battery capacity. Second, we constrain the node to fulfill an additional quality of service constraint and, again, find the optimal rate scheduling strategy. In the third problem, we consider a \ac{MIMO} point-to-point transmission. Hence, we consider a multiple antenna energy harvesting node for which we find the precoder that maximizes the data throughput over a certain time window. Finally, we have developed algorithms that compute the optimal solution of each of the aforementioned problems.Castellano: La recolecta de energía está ganando cada vez más importancia como medio para cargar baterías de ciertos dispositivos autónomos como sensores. Las estrategias tradicionales de asignación de tasa de transmisión y potencia dejan de ser óptimas cuando los nodos son capaces de recolectar energía a través del tiempo. Por lo tanto, se deben desarrollar estrategias eficientes de transmisión teniendo en cuenta la disponibilidad de energía y datos en el nodo. En esta tesis, se ha considerado que tanto las llegadas de datos como las de energía se producen siguiendo un modelo de paquetes. Hemos asumido que el nodo tiene conocimiento previo de los tiempos de llegada y las cantidades (ya sean bits o Joules) de los paquetes. Esta tesis resuelve tres problemas diferentes para los nodos inalámbricos que recolectan energía. En primer lugar, encontramos la tasa de transmisión óptima para un nodo inalámbrico que recolecta energía teniendo en cuenta que la capacidad de la batería es finita. En segundo lugar, analizamos el mismo problema pero ahora teniendo en cuenta que el nodo debe garantizar una cierta calidad de servicio. En el tercer problema, consideramos un canal MIMO punto a punto de transmisión. Por lo tanto, se encuentra el precodificador que maximiza el número total de datos transmitidos en un cierto intervalo de tiempo. Finalmente, se han desarrollado algoritmos que calculan la solución óptima de cada uno de los problemas antes mencionados.Català: La recol·lecta d'energia està guanyant cada vegada més importància com a mitjà per carregar bateries de certs dispositius autònoms com ara sensors. Les estratègies tradicionals d'assignació de taxa de transmissió i potència deixen de ser òptimes quan els nodes són capaços de recol·lectar energia a través del temps. Per tant, s'han de desenvolupar estratègies eficients de transmissió tenint en compte la disponibilitat d'energia i dades en el node. En aquesta tesis, s'ha considerat que tant les arribades de dades com les d'energia es produeixen seguint un model de paquets. Hem assumit que el node té coneixement previ dels temps d'arribada i les quantitats (ja siguin bits o Joules) dels paquets. Aquesta tesi resol tres problemes diferents per als nodes sense fil que recol?lecten energia. En primer lloc, trobem la taxa de transmissió òptima per a un node sense fils que recol?lecta energia tenint en compte que la capacitat de la bateria és finita. En segon lloc, analitzem el mateix problema però ara tenint en compte que el node ha de garantir una certa qualitat de servei. En el tercer problema, considerem un canal MIMO punt a punt de transmissió. Per tant, es trobem el precodificador que maximitza el nombre total de dades transmeses duran un cert interval de temps. Finalment, s'han desenvolupat algorismes que calculen la solució òptima de cada un dels problemes abans esmentats

Energy-efficient rate scheduling and power allocation for wireless energy harvesting nodes Asignación de potencia y tasa de transmisión para nodos que recolectan energía Assignació de potència i taxa de transmissió per a nodes que recol•lecten energia

English: Energy harvesting is increasingly gaining importance as a means to charge battery powered devices such as sensor nodes. Traditional rate scheduling and power allocation strategies for wireless nodes are no longer optimal when these nodes are able to harvest energy over time. Efficient transmission strategies must be %developed taking into account the availability of energy and data in the node. In this thesis, we have considered that both data and energy arrivals are produced following a packetized model. We have assumed that the node has from beforehand full knowledge of the arrival times and quantities (either bits or Joules) of the packets. This thesis solves three different problems for wireless energy harvesting nodes. First, we find the best rate scheduling strategy for a wireless energy harvesting node with finite battery capacity. Second, we constrain the node to fulfill an additional quality of service constraint and, again, find the optimal rate scheduling strategy. In the third problem, we consider a \ac{MIMO} point-to-point transmission. Hence, we consider a multiple antenna energy harvesting node for which we find the precoder that maximizes the data throughput over a certain time window. Finally, we have developed algorithms that compute the optimal solution of each of the aforementioned problems.Castellano: La recolecta de energía está ganando cada vez más importancia como medio para cargar baterías de ciertos dispositivos autónomos como sensores. Las estrategias tradicionales de asignación de tasa de transmisión y potencia dejan de ser óptimas cuando los nodos son capaces de recolectar energía a través del tiempo. Por lo tanto, se deben desarrollar estrategias eficientes de transmisión teniendo en cuenta la disponibilidad de energía y datos en el nodo. En esta tesis, se ha considerado que tanto las llegadas de datos como las de energía se producen siguiendo un modelo de paquetes. Hemos asumido que el nodo tiene conocimiento previo de los tiempos de llegada y las cantidades (ya sean bits o Joules) de los paquetes. Esta tesis resuelve tres problemas diferentes para los nodos inalámbricos que recolectan energía. En primer lugar, encontramos la tasa de transmisión óptima para un nodo inalámbrico que recolecta energía teniendo en cuenta que la capacidad de la batería es finita. En segundo lugar, analizamos el mismo problema pero ahora teniendo en cuenta que el nodo debe garantizar una cierta calidad de servicio. En el tercer problema, consideramos un canal MIMO punto a punto de transmisión. Por lo tanto, se encuentra el precodificador que maximiza el número total de datos transmitidos en un cierto intervalo de tiempo. Finalmente, se han desarrollado algoritmos que calculan la solución óptima de cada uno de los problemas antes mencionados.Català: La recol·lecta d'energia està guanyant cada vegada més importància com a mitjà per carregar bateries de certs dispositius autònoms com ara sensors. Les estratègies tradicionals d'assignació de taxa de transmissió i potència deixen de ser òptimes quan els nodes són capaços de recol·lectar energia a través del temps. Per tant, s'han de desenvolupar estratègies eficients de transmissió tenint en compte la disponibilitat d'energia i dades en el node. En aquesta tesis, s'ha considerat que tant les arribades de dades com les d'energia es produeixen seguint un model de paquets. Hem assumit que el node té coneixement previ dels temps d'arribada i les quantitats (ja siguin bits o Joules) dels paquets. Aquesta tesi resol tres problemes diferents per als nodes sense fil que recol?lecten energia. En primer lloc, trobem la taxa de transmissió òptima per a un node sense fils que recol?lecta energia tenint en compte que la capacitat de la bateria és finita. En segon lloc, analitzem el mateix problema però ara tenint en compte que el node ha de garantir una certa qualitat de servei. En el tercer problema, considerem un canal MIMO punt a punt de transmissió. Per tant, es trobem el precodificador que maximitza el nombre total de dades transmeses duran un cert interval de temps. Finalment, s'han desenvolupat algorismes que calculen la solució òptima de cada un dels problemes abans esmentats

A nanonetwork architecture using flagellated bacteria and catalytic nanomotors

Molecular communication has been recently proposed for interconnected nano-scale devices as an alternative to classical communication paradigms such as electro-magnetic waves, acoustic or optical communication. In this novel approach, the information is encoded as molecules that are transported between devices using different distance based communication techniques. For short distances (nm-mm ranges) there exist molecular motors and calcium signaling techniques to realize the communication between the nano-devices. For long distances (mm-m ranges), pheromones are used to transport information. In this work, the medium range is explored to cover distances from μm to mm and a molecular network architecture is proposed to realize the communication between nano-machines that can be deployed over different (short, medium and long) distances. In addition, two new communication techniques, flagellated bacteria and catalytic nanomotors, are introduced to cover the medium range. Both techniques are based on the transport of DNA encoded information between emitter and receiver by means of a physical carrier. A physical channel model in terms of propagation delay and packet loss probability has been developed for both techniques. Flagellated bacterium has been modeled as a two state automaton. This automaton is extended and used as the basis for the design of a novel nano-machine that is able to transport information among the nano-scale devices. Finally, a qualitative comparison of flagellated bacteria and catalytic nanomotors is carried out and some future research topics are pointed ou

A nanonetwork architecture using flagellated bacteria and catalytic nanomotors

Molecular communication has been recently proposed for interconnected nano-scale devices as an alternative to classical communication paradigms such as electro-magnetic waves, acoustic or optical communication. In this novel approach, the information is encoded as molecules that are transported between devices using different distance based communication techniques. For short distances (nm-mm ranges) there exist molecular motors and calcium signaling techniques to realize the communication between the nano-devices. For long distances (mm-m ranges), pheromones are used to transport information. In this work, the medium range is explored to cover distances from μm to mm and a molecular network architecture is proposed to realize the communication between nano-machines that can be deployed over different (short, medium and long) distances. In addition, two new communication techniques, flagellated bacteria and catalytic nanomotors, are introduced to cover the medium range. Both techniques are based on the transport of DNA encoded information between emitter and receiver by means of a physical carrier. A physical channel model in terms of propagation delay and packet loss probability has been developed for both techniques. Flagellated bacterium has been modeled as a two state automaton. This automaton is extended and used as the basis for the design of a novel nano-machine that is able to transport information among the nano-scale devices. Finally, a qualitative comparison of flagellated bacteria and catalytic nanomotors is carried out and some future research topics are pointed ou

Energy-efficient rate scheduling and power allocation for wireless energy harvesting nodes Asignación de potencia y tasa de transmisión para nodos que recolectan energía Assignació de potència i taxa de transmissió per a nodes que recol•lecten energia

English: Energy harvesting is increasingly gaining importance as a means to charge battery powered devices such as sensor nodes. Traditional rate scheduling and power allocation strategies for wireless nodes are no longer optimal when these nodes are able to harvest energy over time. Efficient transmission strategies must be %developed taking into account the availability of energy and data in the node. In this thesis, we have considered that both data and energy arrivals are produced following a packetized model. We have assumed that the node has from beforehand full knowledge of the arrival times and quantities (either bits or Joules) of the packets. This thesis solves three different problems for wireless energy harvesting nodes. First, we find the best rate scheduling strategy for a wireless energy harvesting node with finite battery capacity. Second, we constrain the node to fulfill an additional quality of service constraint and, again, find the optimal rate scheduling strategy. In the third problem, we consider a \ac{MIMO} point-to-point transmission. Hence, we consider a multiple antenna energy harvesting node for which we find the precoder that maximizes the data throughput over a certain time window. Finally, we have developed algorithms that compute the optimal solution of each of the aforementioned problems.Castellano: La recolecta de energía está ganando cada vez más importancia como medio para cargar baterías de ciertos dispositivos autónomos como sensores. Las estrategias tradicionales de asignación de tasa de transmisión y potencia dejan de ser óptimas cuando los nodos son capaces de recolectar energía a través del tiempo. Por lo tanto, se deben desarrollar estrategias eficientes de transmisión teniendo en cuenta la disponibilidad de energía y datos en el nodo. En esta tesis, se ha considerado que tanto las llegadas de datos como las de energía se producen siguiendo un modelo de paquetes. Hemos asumido que el nodo tiene conocimiento previo de los tiempos de llegada y las cantidades (ya sean bits o Joules) de los paquetes. Esta tesis resuelve tres problemas diferentes para los nodos inalámbricos que recolectan energía. En primer lugar, encontramos la tasa de transmisión óptima para un nodo inalámbrico que recolecta energía teniendo en cuenta que la capacidad de la batería es finita. En segundo lugar, analizamos el mismo problema pero ahora teniendo en cuenta que el nodo debe garantizar una cierta calidad de servicio. En el tercer problema, consideramos un canal MIMO punto a punto de transmisión. Por lo tanto, se encuentra el precodificador que maximiza el número total de datos transmitidos en un cierto intervalo de tiempo. Finalmente, se han desarrollado algoritmos que calculan la solución óptima de cada uno de los problemas antes mencionados.Català: La recol·lecta d'energia està guanyant cada vegada més importància com a mitjà per carregar bateries de certs dispositius autònoms com ara sensors. Les estratègies tradicionals d'assignació de taxa de transmissió i potència deixen de ser òptimes quan els nodes són capaços de recol·lectar energia a través del temps. Per tant, s'han de desenvolupar estratègies eficients de transmissió tenint en compte la disponibilitat d'energia i dades en el node. En aquesta tesis, s'ha considerat que tant les arribades de dades com les d'energia es produeixen seguint un model de paquets. Hem assumit que el node té coneixement previ dels temps d'arribada i les quantitats (ja siguin bits o Joules) dels paquets. Aquesta tesi resol tres problemes diferents per als nodes sense fil que recol?lecten energia. En primer lloc, trobem la taxa de transmissió òptima per a un node sense fils que recol?lecta energia tenint en compte que la capacitat de la bateria és finita. En segon lloc, analitzem el mateix problema però ara tenint en compte que el node ha de garantir una certa qualitat de servei. En el tercer problema, considerem un canal MIMO punt a punt de transmissió. Per tant, es trobem el precodificador que maximitza el nombre total de dades transmeses duran un cert interval de temps. Finalment, s'han desenvolupat algorismes que calculen la solució òptima de cada un dels problemes abans esmentats

A nanonetwork architecture using flagellated bacteria and catalytic nanomotors

Molecular communication has been recently proposed for interconnected nano-scale devices as an alternative to classical communication paradigms such as electro-magnetic waves, acoustic or optical communication. In this novel approach, the information is encoded as molecules that are transported between devices using different distance based communication techniques. For short distances (nm-mm ranges) there exist molecular motors and calcium signaling techniques to realize the communication between the nano-devices. For long distances (mm-m ranges), pheromones are used to transport information. In this work, the medium range is explored to cover distances from μm to mm and a molecular network architecture is proposed to realize the communication between nano-machines that can be deployed over different (short, medium and long) distances. In addition, two new communication techniques, flagellated bacteria and catalytic nanomotors, are introduced to cover the medium range. Both techniques are based on the transport of DNA encoded information between emitter and receiver by means of a physical carrier. A physical channel model in terms of propagation delay and packet loss probability has been developed for both techniques. Flagellated bacterium has been modeled as a two state automaton. This automaton is extended and used as the basis for the design of a novel nano-machine that is able to transport information among the nano-scale devices. Finally, a qualitative comparison of flagellated bacteria and catalytic nanomotors is carried out and some future research topics are pointed ou

Physical channel characterization for medium-range nanonetworks using catalytic nanomotors

Molecular communication is a promising paradigm to implement nanonetworks, the interconnection of nanomachines. Catalytic nanomotors constitute one of the techniques that have been proposed for medium-range molecular communications. This paper presents a physical channel characterization that shows how nanomachines communicate using catalytic nanomotors as information carriers. Quantitative results of the packet transmission delay and loss probability are then obtained through simulation. Finally, some trade-offs that will arise when designing these networks are outlined.Peer Reviewe