Resource management techniques for sustainable networks with energy harvesting nodes

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICThis dissertation proposes novel techniques for assigning resources of wireless networks by considering that the coverage radii are small, implying that some power consumption sinks not considered so far shouldnow be introduced, and by considering that the devices are battery-powered terminals provided with energy harvesting capabilities. In this framework, two different configurations in terms of harvesting capabilities are considered. First, we assume that the energy source is external and not controllable, e.g. solar energy. In this context, the proposed design should adapt to the energy that is currently being harvested. We also study the effect of having a finite backhaul connection that links the wireless access network with the core network. On the other hand, we propose a design in which the transmitter feeds actively the receivers with energy by transmitting signals that receivers use for recharging their batteries. In this case, the power transfer design should be carried out jointly with the power control strategy for users that receive information as both procedures, transfer of information and transfer of power, are implemented at the transmitter and make use of a common resource, i.e., power. Apart from techniques for assigning the radio resources, this dissertation develops a procedure for switching on and off base stations. Concerning this, it is important to notice that the traffic profile is not constant throughout the day. This is precisely the feature that can be exploited to define a strategy based on a dynamic selection of the base stations to be switched off when the traffic load is low, without affecting the quality experienced by the users. Thanks to this procedure, we are able to deploy smaller energy harvesting sources and smaller batteries and, thus, to reduce the cost of the network deployment. Finally, we derive some procedures to optimize high level decisions of the network operation in which variables from several layers of the protocol stack are involved. In this context, admission control procedures for deciding which user should be connected to which base station are studied, taking into account information of the average channel information, the current battery levels, etc. A multi-tier multi-cell scenario is assumed in which base stations belonging to different tiers have different capabilities, e.g., transmission power, battery size, end energy harvesting source size. A set of strategies that require different computational complexity are derived for scenarios with different user mobility requirements.Aquesta tesis doctoral proposa tècniques per assignar els recursos disponibles a les xarxes wireless considerant que els radis de cobertura són petits, el que implica que altres fonts de consum d’energia no considerades fins al moment s’hagin d’introduir dins els dissenys, i considerant que els dispositius estan alimentats amb bateries finites i que tenen a la seva disposició fonts de energy harvesting. En aquest context, es consideren dues configuracions diferents en funció de les capacitats de l’energia harvesting. En primer lloc, s’assumirà que la font d’energia és externa i incontrolable com, per exemple, l’energia solar. Els dissenys proposats han d’adaptar-se a l’energia que s’està recol·lectant en un precís moment. En segon lloc, es proposa un disseny en el qual el transmissor és capaç d’enviar energia als receptors mitjançant senyals de radiofreqüència dissenyats per aquest fi, energia que és utilitzada per recarregar les bateries. A part de tècniques d’assignació de recursos radio, en aquesta tesis doctoral es desenvolupa un procediment dinàmic per apagar i encendre estacions base. És important notar que el perfil de tràfic no és constant al llarg del dia. Aquest és precisament el patró que es pot explotar per definir una estratègia dinàmica per poder decidir quines estaciones base han de ser apagades, tot això sense afectar la qualitat experimentada pels usuaris. Gràcies a aquest procediment, es possible desplegar fonts d'energy harvesting més petites i bateries més petites. Finalment, aquesta tesis doctoral presenta procediments per optimitzar decisions de nivell més alt que afecten directament al funcionament global de la xarxa d’accés. Per prendre aquestes decisions, es fa ús de diverses variables que pertanyen a diferents capes de la pila de protocols. En aquest context, aquesta tesis aborda el disseny de tècniques de control d’admissió d’usuaris a estacions base en entorns amb múltiples estacions base, basant-se amb la informació estadística dels canals, i el nivell actual de les bateries, entre altres. L'escenari considerat està format per múltiples estacions base, on cada estació base pertany a una família amb diferents capacitats, per exemple, potència de transmissió o mida de la bateria. Es deriven un conjunt de tècniques amb diferents costos computacionals que són d'utilitat per a poder aplicar a escenaris amb diferents mobilitats d’usuaris.Award-winningPostprint (published version

User grouping and resource allocation in multiuser MIMO systems under SWIPT

This paper considers a broadcast multiple-input multiple-output (MIMO) network with multiple users and simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). In this scenario, it is assumed that some users are able to harvest power from radio frequency (RF) signals to recharge batteries through wireless power transfer from the transmitter, while others are served simultaneously with data transmission. The criterion driving the optimization and design of the system is based on the weighted sum rate for the users being served with data. At the same time, constraints stating minimum per-user harvested powers are included in the optimization problem. This paper derives the structure of the optimal transmit covariance matrices in the case where both types of users are present simultaneously in the network, particularizing the results to the cases where either only harvesting nodes or only information users are to be served. The trade-off between the achieved weighted sum rate and the powers harvested by the user terminals is analyzed and evaluated using the rate-power (R-P) region. Finally, we propose a two-stage user grouping mechanism that decides which users should be scheduled to receive information and which users should be configured to harvest energy from the RF signals in each particular scheduling period, this being one of the main contributions of this paper.Peer ReviewedPostprint (published version

Joint optimization of power and data transfer in multiuser MIMO systems

We present an approach to solve the nonconvex optimization problem that arises when designing the transmit covariance matrices in multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) broadcast networks implementing simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). The MIMO SWIPT problem is formulated as a general multiobjective optimization problem, in which data rates and harvested powers are optimized simultaneously. Two different approaches are applied to reformulate the (nonconvex) multiobjective problem. In the first approach, the transmitter can control the specific amount of power to be harvested by power transfer whereas in the second approach the transmitter can only control the proportion of power to be harvested among the different harvesting users. We solve the resulting formulations using the majorization-minimization (MM) approach. The solution obtained from the MM approach is compared to the classical block-diagonalization (BD) strategy, typically used to solve the nonconvex multiuser MIMO network by forcing no interference among users. Simulation results show that the proposed approach improves over the BD approach both the system sum rate and the power harvested by users. Additionally, the computational times needed for convergence of the proposed methods are much lower than the ones required for classical gradient-based approaches.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

SWIPT techniques for multiuser MIMO broadcast systems

In this paper, we present an approach to solve the nonconvex optimization problem that arises when designing the transmit covariance matrices in multiuser multiple-input multiple-output (MIMO) broadcast networks implementing simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT). The MIMO SWIPT design is formulated as a nonconvex optimization problem in which system sum rate is optimized considering per-user harvesting constraints. Two different approaches are proposed. The first approach is based on a classical gradient-based method for constrained optimization. The second approach is based on difference of convex (DC) programming. The idea behind this approach is to obtain a convex function that approximates the nonconvex objective and, then, solve a series of convex subproblems that, eventually, will provide a (locally) optimum solution of the general nonconvex problem. The solution obtained from the proposed approach is compared to the classical block-diagonalization (BD) strategy, typically used to solve the nonconvex multiuser MIMO network by forcing no inter-user interference. Simulation results show that the proposed approach improves both the system sum rate and the power harvested by users simultaneously. In terms of computational time, the proposed DC programming outperforms the classical gradient methods.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Source and network coding on mobile devices

This project concerns the development and implementation of a full functional demonstrator for cooperative wireless networking and network coding, which is a technology for improving performance in wireless networks. An application for distribute a video among nodes forming a cooperative cluster is implemented. The implementation is done for the Maemo platform. In Cellular Controlled Peer-to-Peer (CCP2P) networks, besides being connected to an outside world using cellular links, a group of mobile devices in close proximity form a cooperative cluster contributing their onboard capabilities and resources to exploit them a more efficient way. This project implements this kind of networks. Diverse cooperating phones agree on splitting a video to download and start to receive it through USB from a server (simulating the cellular link). Simultaneously the received data is exchanged over the short-range link using three different transmission schemes: Network coding and broadcast, which were implemented in a previous work, and a new hybrid schema developed as a combination of both, broadcast and network coding. After implementation of the program, tests are carried out, to see the results achieved with this new schema and compare it with the previous ones, in terms of throughput, energy consumption and necessary time to distribute the whole video. The results obtained show an improvement in the three cases for the new hybrid schema, which use broadcast at the beginning, when all the nodes are interested in all the packets, and Network Coding for retransmissions of packets

Design and implementation of a cognitive node for heterogeneous wireless ad-hoc

In this thesis, the design of a cognitive network layer solution for a scenario with mobile devices is presented. Cognitive networks are able to sense the environment and adapt in order to find the best performance of the network at any moment. The final objective is to carry out a design of a node of the network which has incorporated in it up to three different technologies, which are WLAN, Bluetooth and ZigBee. The node is able to determine whether a technology should be used or not based on the network state. In order to find out the network state, a routing protocol based on Link State to provide the full view of the network is designed. Adaptive routing metrics have been designed in order to determine the best performance of the network to meet the QoS requirements considering what service is being required by the application and therefore to choose what technology is more appropriated for the connection. Those metrics are based on the capacity of the link, which takes into account the technology, the delay and the packet error rate of itself, and the utilization level. Then, Dijkstras’ algorithm is computed to solve the routing problem based on the adaptive weights instead of using the traditional hop-based count as a cost function. Furthermore, a heterogeneous cognitive wireless ad-hoc network testbed is implemented to analyze the behavior of the cognitive network when different types of services are used. On top of the cognitive network layer, an application to arrange meetings is implemented. Meeting rooms offer two different type of service for the guests, video and data service. Thus, clients are able to configure a video conference with the meeting room in case they cannot attend the meeting

Stochastic resource allocation with a backhaul constraint for the uplink

We propose a novel stochastic radio resource alloca- tion strategy for the uplink that achieves long-term fairness in terms of similar bitrates considering backhaul and air-interface capacity limitations. We focus on a single cell scenario based on WCDMA technology. We propose to use a maximin criteria to introduce fairness among the different users’ throughputs. An stochastic approximation is implemented to obtain an online algorithm where the Lagrange multipliers are estimated at each scheduling period. Our results show that the proposed scheme achieves higher fairness among the users and, in some cases, a higher sum-rate compared with the well-known proportional fair scheduler.Postprint (author's final draft

Herramientas online para la composición musical en Educación Primaria

Mediante la realización de este Trabajo Fin de Grado se ha pretendido conocer el impacto que tienen las actividades basadas en la composición musical, a través de las herramientas que nos brinda internet, con el fin de mejorar la expresión y creatividad musical del alumnado de Educación Primaria en la asignatura de música. En la primera parte de la fundamentación teórica, se manifiesta el papel cada vez más significativo que han adquirido las nuevas tecnologías en la educación del siglo XXI. La clase de Música no ha de ser una excepción, y debe incorporar a sus aulas estas herramientas para preparar a sus alumnos a desenvolverse de forma autónoma en la sociedad actual. Asimismo, el presente trabajo explora el mundo de los recursos online destinados a la composición musical a través de una clasificación sistemática de los mismos.Grado en Educación Primari

Energy-efficient dynamic resource allocation with energy harvesting nodes

The allocation of radio resources where nodes are battery constrained.[ANGLÈS] In wireless communications, there is a trend to deploy shorter-distance networks to cope with the high demanding necessities of bit-rate that current applications require. In such networks, the power needed for transmission is considerably low, due to proximity between base station and mobile terminals. As a consequence, complex baseband algorithms for signal processing and radio frequency circuitry require an amount of power that is comparable or even higher than the power for transmisson. Moreover, energy harvesting techniques, which allows user to collect energy from the environment, are being emerged as a potential solution for battery durability. In this master thesis, the allocation of radio resources in such a scenario is addressed. Nodes are considered to be battery-powered devices with an energy harvesting source that allows them to recharge their batteries. Nodes feed back their battery status information jointly with the channel state information to the scheduler, which makes a resource allocation based on all the energy constraints of the problem and not only taking the transmitted power and the channel state information as in classical approaches. The final objective is to carry out a design of scheduling algorithms able to provide a longer lifetime network, where lifetime is defined to be the period of time till the first node runs out of battery. In the first part of the thesis we consider some simplifications. Flat-fading channels are assumed and the classical rate-power Shannon's formula is used. As a result, continuous power assignment and Gaussian constellations are considered. Resource allocation problems are reformulated as convex optimization problems, which are solved using powerful software packages, or algorithms based on Lagrange duality developed in this master thesis. In the second part of the thesis, a more practical approach is carried out. Now, finite-size constellations, such as QAM constellations are considered. Therefore, a discrete rate-power function based on BER requirements is proposed. Generally, these allocation problems are not convex. Optimum solutions are computationally prohibited due to brute force search time consuming techniques. We propose greedy-like algorithms to cope this problem, where subcarriers, bit allocation and power are assigned dynamically, according to a given objective and energy constraints. From simulation results, we conclude that by using the techniques proposed in the master thesis, not only it is possible to enhance the network lifetime, but also the average bit-rate achieved by the network terminals compared with classical approaches.[CASTELLÀ] Existe una tendencia en comunicaciones sin cables a desplegar redes para cubrir distancias más cortas, con el objetivo de cubrir las necesidades de bit-rate que las actuales aplicaciones requieren. Sin embargo, en tales redes, la potencia necesitada en la transmisión es considerablemente baja, debido a la proximidad entre la estación base y los terminales móviles. Como consecuencia, los complejos algoritmos de procesado de señal de banda base y los circuitos de radio frecuencia requieren un consumo energético comparable o incluso mayor que el necesitado en transmisión. Además, técnicas de harvesting están siendo desarrolladas como soluciones potenciales a incrementar la durabilidad de las baterías. En esta máster tesis, se lleva a cabo el diseño de asignación de recursos radio en el escenario planteado anteriormente. Los terminales son considerados dispositivos con batería finita, previstos de una fuente de harvesting de energía que les permite recargar las baterías cada cierto tiempo. Los terminales envían sus estados de las baterías junto con la estimación del canal al scheduler, el cual realiza una asignación de recursos teniendo en cuenta todo el gasto energético tanto de los algoritmos de procesado como de la circuitería de RF además de la potencia en transmisión, y no sólo de la útlima junto con la estimación del canal, como sucede en diseños clásicos. El objetivo final es llevar a cabo un diseño de algoritmos de scheduling que sean capaces de alargar la vida útil de la red, donde vida útil se define como el periodo de tiempo transcurrido hasta que el primero terminal se queda sin batería. En la primera parte de la tesis se asumen algunas simplificaciones. Canales planos en frecuencia y una función continua de Shannon que relaciona bit-rate y potencia son utilizados. Como resultado, asignación continuo de potencia y constelaciones Gaussianas son consideradas. Los problemas de asignación de recursos son reformulados como problemas de optimización convexa, los cuales son resueltos mediante paquetes de software o algoritmos basados en dualidad de Lagrange desarrollados en esta tesis de máster. En la segunda parte de la tesis se llevan a cabo diseños más realistas y prácticos. Ahora se consideran constelaciones de dimensión finita, como por ejemplo modulaciones del tipo QAM. Ello hace que, funciones rate-potencia sean discretas y basadas en requerimientos de BER. Generalmente, estos problemas de asignación de recursos no son convexos. Las soluciones óptimas suelen ser computacionalmente prohibitivas debido a la extensa búsqueda que se tiene que realizar. Es por ello que se proponen algoritmos de tipo greedy para solucionar el problema de la búsqueda exhaustiva, donde portadoras, asignación de bits y potencia son asignadas de forma dinámica, en función de un objetivo y de las restricciones de energía. Mediante los datos obtenidos en las simulaciones, podemos concluir que usando las técnicas propuestas en esta tesis, no sólo es posible incrementar el tiempo de vida de la red, sino que además es posible incrementar el bit-rate medio conseguido por los terminales de la red comparado con técnicas clásicas de asignación de recursos.[CATALÀ] Existeix una tendència en comunicacions sense cables que consisteix en desplegar xarxes per cobrir distàncies més curtes, amb l'objectiu d'assolir les necessitats de bit-rate que les aplicacions actuals requereixen. No obstant, en aquestes xarxes, la potència necessària en transmissió és considerablement més baixa a causa de la proximitat entre l'estació base i els terminals mòbils. Com a conseqüència, els complexos algorismes de processament del senyal de banda base i els circuits de ràdio freqüència requereixen un consum energètic comparable o fins i tot major al necessari en transmissió. A més a més, s'estan desenvolupant tècniques de harvesting com a una solució potencial en incrementar la durabilitat de les bateries. En aquesta tesis de màster, es du a terme el disseny d'assignació de recursos ràdio en l'escenari plantejat anteriorment. Els terminals són considerats dispositius amb bateria finita, proporcionats d'una font de harvesting d'energia que els permet recarregar les bateries cada cert període de temps. Els terminals envien els estats de les bateries juntament amb l'estimació del canal al sheduler. Aquest realitza una assignació de recursos considerant totes les despeses energètiques, tant dels algorismes de processament com dels circuits de ràdio freqüència com també de la potència de transmissió, i no solament de l'última juntament amb l'estimació del canal, com succeeix en dissenys clàssics. L'objectiu final és dur a terme un disseny d'algorismes de scheduling que siguin capaços d'allargar la vida útil a la xarxa, on vida útil es defineix com el període de temps transcorregut fins que el primer terminal esgota la bateria. En la primera part de la tesi s'assumeixen algunes simplificacions. Aquestes són, canals plans en freqüència i una funció contínua de Shannon que relaciona el bit-rate i la potència. Així doncs, es considera una assignació contínua d'ample de banda, de potència, bit-rate mitjançant constel·lacions Gaussianes. Els problemes d'assignació de recursos són reformulats com problemes d'optimització convexa, els quals es resolen mitjançant paquets de software o algorismes desenvolupats en aquesta tesi basats en la dualitat de Lagrange. En la segona part, s'estudien dissenys més realistes i pràctics. En aquesta segona part es consideren constel·lacions de dimensió finita, com per exemple, modulacions de tipus QAM. Com a conseqüència, funcions de rate-potencia esdevenen discretes i basades en requeriments de BER. Generalment, aquests problemes d'assignació de recursos no són convexos. Les solucions òptimes solen ser computacionalment prohibitives a causa de l'extensa cerca que s'ha de realitzar. És per aquesta raó que es proposen algorismes de tipus greedy per solucionar el problema de la cerca exhaustiva, on portadores, assignació de bits i potència s'assignen de forma dinàmica en funció de les restriccions d'energia. Mitjançant les dades obtingudes en les simulacions, es pot concloure que, utilitzant les tècniques proposades en aquesta tesi, no només és possible incrementar el temps de vida de la xarxa, sinó que, a més a més, és possible incrementar el bit-rate mitjà aconseguit pels terminals de la xarxa comparat amb les tècniques clàssiques d'assignació de recursos

MCU para multiconferencias en alta definición

En este trabajo se describen todos los pasos seguidos para el desarrollo de una MCU (Multipoint Control Unit), capaz de gestionar videoconferencias de alta definición. En el se incluyen las especificaciones y el diseño tanto a nivel de arquitectura como a nivel de aplicación. La MCU resultante es el resultado de la investigación que la fundación i2Cat, encargó al grupo de investigación de banda ancha del departamento de ingeniería telemática. Este trabajo se encuentra incluido dentro del proyecto “Machine”, proyecto en cual se han desarrollado diferentes clientes de videoconferencia, con los que la MCU deberá interactuar. Los clientes desarrollados en el proyecto “Machine”, utilizan el protocolo SIP para señalizar todas las comunicaciones que realicen, por lo tanto la MCU necesita una pila SIP para poder comunicarse con ellos. Al tratarse de una aplicación independiente y gestionable remotamente, es necesario también el uso de un protocolo de control. Este protocolo de control se ha realizado a partir de la pila SIP ofrecida por la librería Jain Sip. Además del protocolo SIP estándar, se ha definido un nuevo tipo de mensaje, que nos permitirá ejecutar acciones de forma remota en la MCU. Durante el desarrollo de éste trabajo se han desarrollado diferentes prototipos capaces de realizar el procesado multimedia de los flujos de alta definición. Finalmente se realizó un pequeño estudio en el que se muestran los resultados obtenidos con cada uno de ellos