Wireless Real-Time Communication in Tunnel-like Environments using Wireless Mesh Networks: The WICKPro Protocol

En los últimos años, las redes inalámbricas se están utilizando cada vez más en entornos industriales debido a sus ventajas respecto a redes cableadas: menor coste de instalación, soporte de movilidad, instalación en lugares donde los cables pueden ser problemáticos y mayor facilidad de reconfiguración. Estas redes inalámbricas normalmente deben proporcionar comunicación en tiempo real para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones. Podemos encontrar ejemplos de comunicación en tiempo real con redes inalámbricas para entornos industriales en el campo de la automatización industrial y en el control de procesos, donde redes inalámbricas de radiofrecuencia han sido utilizadas para posibilitar comunicación en tiempo real con un despliegue sencillo. Asimismo, la industria también está interesada en comunicaciones en tiempo real en entornos subterráneos, puesto que existen diversas actividades que se llevan a cabo en escenarios tales como túneles y minas, incluyendo operaciones de minería, vigilancia, intervención y rescate. Las redes inalámbricas malladas (Wireless Mesh Networks, WMNs) representan una solución prometedora para conseguir comunicaci ón en tiempo real en entornos inalámbricos, dado que proporcionan una red troncal inalámbrica formada por encaminadores (routers) que es utilizada por terminales móviles. Sin embargo, las WMNs también presentan algunos retos: la naturaleza multisalto de estas redes causa interferencias entre flujos e interferencias de un flujo consigo mismo, además de que la propagación inalámbrica sufre shadowing y propagación multicamino. El estándar IEEE 802.11 ha sido ampliamente utilizado en redes WMNs debido a su bajo coste y la operación en bandas frecuenciales sin licencia. El problema es que su protocolo de acceso al medio (Medium Access Control, MAC) no es determinista y que sus comunicaciones sufren los problemas del terminal oculto y expuesto. Esta tesis doctoral se centra en el soporte de comunicaciones en tiempo real en entornos tipo túnel utilizando redes WMNs. Con este objetivo, desarrollamos un protocolo MAC y de nivel de red denominado WIreless Chain networK Protocol (WICKPro) que funciona sobre IEEE 802.11. Más concretamente, en este trabajo diseñamos dos versiones de este protocolo para proporcionar soporte de tráfico de tiempo real firme (Firm Real-Time, FRT) y de tiempo real no estricto (Soft Real-Time, SRT): FRT-WICKPro y SRT-WICKPro. Asimismo, proponemos un algoritmo de hand-off conocido como Double-Threshold Hand-off (DoTHa) para el manejo de la movilidad en SRT-WICKPro WICKPro utiliza un esquema de paso de testigo para solventar las interferencias entre flujos y de un flujo consigo mismo, así como los problemas del terminal oculto y expuesto, dado que este esquema no permite que dos nodos transmitan al mismo tiempo. Esta solución es razonable para redes pequeñas donde el re uso espacial es imposible o limitado. Para tratar la naturaleza no determinista de IEEE 802.11, combinamos el esquema de paso de testigo con una planificación cíclica global. Como es habitual en planificación cíclica, el hiperperiodo es dividido en un conjunto de ciclos secundarios. FRT-WICKPro inicia el paso de testigo de forma síncrona para satisfacer estrictamente dichos ciclos secundarios, mientras que SRT-WICKPro implementa un paso de testigo asíncrono y permite sobrepasar los ciclos secundarios, por lo que desacopla los ciclos secundarios reales de los te_oricos. Finalmente, DoTHa lidia con el shadowing y la propagación multicamino. Para abordar el shadowing, DoTHa permite llevar a cabo el proceso de hand-off en la región conectada y en la región de transición de un enlace, mientras que la propagación multicamino es ignorada para el proceso de hand-off porque la potencia recibida es promediada. Nuestras propuestas fueron validadas en experimentos de laboratorio y de campo, así como en simulación. Como un estudio de caso, llevamos a cabo la teleoperación de un robot móvil en dos entornos confinados: los pasillos de un edificio y el túnel del Somport. El túnel del Somport es un antiguo túnel ferroviario fuera de servicio que conecta España y Francia por los Pirineos Centrales. Aunque los robots autónomos son cada vez más importantes, la tecnología no está suficientemente madura para manejar entornos con alto dinamismo como sistemas de fabricación reconfigurables, o para realizar decisiones de vida o muerte, por ejemplo después de un desastre con contaminación radiactiva. Las aplicaciones que pueden beneficiarse de la teleoperación de robots móviles incluyen la monitorización en tiempo real y el uso de maquinaria robotizada, por ejemplo camiones dumper y máquinas tuneladoras, que podrían ser operadas remotamente para evitar poner en peligro vidas humanas.Industrial applications have been shifting towards wireless networks in recent years because they present several advantages compared with their wired counterparts: lower deployment cost, mobility support, installation in places where cables may be problematic, and easier reconfiguration. These industrial wireless networks usually must provide real-time communication to meet application requirements. Examples of wireless real-time communication for industrial applications can be found in factory automation and process control, where Radio Frequency wireless communication technologies have been employed to support flexible real-time communication with simple deployment. Likewise, industry is also interested in real-time communication in underground environments, since there are several activities that are carried out in scenarios such as tunnels and mines, including mining, surveillance, intervention, and rescue operations. Wireless Mesh Networks (WMNs) are promising enablers to achieve wireless real-time communication because they provide a wireless backbone comprised by dedicated routers that is utilized by mobile terminals. However, WMNs also present several challenges: wireless multi-hopping causes inter-flow and intra-flow interferences, and wireless propagation suffers shadowing and multi-path fading. The IEEE 802.11 standard has been widely used in WMNs due to its low cost and the operation in unlicensed frequency bands. The downside is that its Medium Access Control (MAC) protocol is non-deterministic, and that its communications suffer from the hidden and exposed terminal problems. This PhD thesis focuses on real-time communication in tunnel-like environments by using WMNs. Particularly, we develop a MAC and network protocol on top of the IEEE 802.11 standard to provide real-time capabilities, so-called WIreless Chain networK Protocol (WICKPro). Two WICKPro versions are designed to provide Firm Real-Time (FRT) or Soft Real-Time (SRT) traffic support: FRT-WICKPro and SRT-WICKPro. We also propose a hand-off algorithm dubbed Double-Threshold Hand-off (DoTHa) to manage mobility in SRT-WICKPro. WICKPro employs a token-passing scheme to solve the inter-flow and intra-flow interferences as well as the hidden and exposed terminal problems, since this scheme does not allow two nodes to transmit at the same time. This is a reasonable solution for small-scale networks where spatial reuse is impossible or limited. The non-deterministic nature of IEEE 802.11 is faced by combining the token-passing mechanism with a polling approach based on a global cyclic packet schedule. As usual in cyclic scheduling, the hyper-period is divided into minor cycles. FRT-WICKPro triggers the token synchronously and fulfills strictly minor cycles, whereas SRT-WICKPro carries out asynchronous token-passing and lets minor cycles be overrun, thereby decoupling the theoretic and the actual minor cycles. Finally, DoTHa deals with shadowing and multi-path fading. Shadowing is addressed by providing the opportunity of triggering hand-off in the connected and transitional regions of a link, while multi-path fading is neglected for hand-off purposes by smoothing the received signal power. We tested our proposals in laboratory and field experiments, as well as in simulation. As a case study, we carried out the tele-operation of a mobile robot within two confined environments: the corridors of a building and the Somport tunnel. The Somport tunnel is an old out-of-service railway tunnel that connects Spain and France through the Central Pyrenees. Although autonomous robots are becoming more and more important, technology is not mature enough to manage highly dynamic environments such as reconfigurable manufacturing systems, or to make life-and-death decisions, e.g., after a disaster with radioactivity contamination. Applications that can benefit from mobile robot tele-operation include real-time monitoring and the use of robotized machinery, for example, dumper trucks and tunneling machines, which could be remotely operated to avoid endangering human lives

Construcción de mapas de cobertura para comunicaciones inalámbricas

Conocer ciertas características sobre cómo es la propagación de la señal en determinados entornos es de vital importancia para el uso efectivo de una red de comunicaciones inalámbrica. Dependiendo de la complejidad del medio podemos utilizar como guía uno o varios modelos de propagación, pudiéndose llegar a buenas aproximaciones sobre el comportamiento de la señal. Bien sea para desarrollar modelos (empíricos o deterministas) o validarlos, se requieren mediciones experimentales. En otros casos no se dispone de un modelo de propagación, por lo que la única opción radica en tomar mediciones prácticas. Cualquiera sea el caso, a través de la representación de estas mediciones en función de la posición obtenemos lo que se suele llamar un mapa de comunicaciones o mapa de cobertura. Situados en este contexto, en este trabajo se desarrollaron herramientas para la construcción de mapas de comunicaciones a gran escala y a pequeña escala. Pensando en una solución modular, se desarrollaron diversos módulos para el meta sistema operativo ROS y se implementaron en un vehículo real todoterreno, y en un robot Pioneer P3AT. Se realizaron pruebas en un ambiente de especial interés para el grupo RoPeRT (Robotics, Perception and Real Time) de la Universidad de Zaragoza: el túnel ferroviario de Somport, que conecta Francia con España. Se obtuvo un mapa de cobertura a gran escala de una sección de especial interés, de unos 2.5 km de largo con cambio de pendiente, y uno más detallado a menor escala de una sección de 1 Km, donde aparecen atenuaciones importantes. Se compararon los resultados con un modelo de propagación basado en “Ray Tracing” (trazado de rayos), desarrollado por Valenzuela (1993). Se obtuvieron similitudes como la existencia de un notable fading, pero a la vez diferencias que dan importancia a las mediciones realizadas, como la ubicación de este fading y diversas atenuaciones que no aparecen en las simulaciones. Se verificó la repetibilidad de estos fenómenos realizando diversos experimentos, inclusive en días diferentes, cuestión que no se ha sido tratada con importante énfasis en la literatura. También se encontró que, debido a variaciones transversales, aplicando una diversidad espacial muy superior a la de las tarjetas comerciales, podemos mejorar la calidad de señal en la mayoría del trayecto estudiado. Los resultados obtenidos pueden ser utilizados tanto para el despliegue óptimo de redes inalámbricas, hasta inclusive para el desarrollo de técnicas de navegación para equipos multi-robot manteniendo la comunicación

Analysis, evaluation and improvement of RT-WMP for real-time and QoS wireless communication: Applications in confined environments

En los ultimos años, la innovación tecnológica, la característica de flexibilidad y el rápido despligue de las redes inalámbricas, han favorecido la difusión de la redes móviles ad-hoc (MANETs), capaces de ofrecer servicios para tareas específicas entre nodos móviles. Los aspectos relacionados al dinamismo de la topología móvil y el acceso a un medio compartido por naturaleza hacen que sea preciso enfrentarse a clases de problemas distintos de los relacionados con la redes cableadas, atrayendo de este modo el interés de la comunidad científica. Las redes ad-hoc suelen soportar tráfico con garantía de servicio mínimo y la mayor parte de las propuestas presentes en literatura tratan de dar garantías de ancho de banda o minimizar el retardo de los mensajes. Sin embargo hay situaciones en las que estas garantías no son suficientes. Este es el caso de los sistemas que requieren garantías mas fuertes en la entrega de los mensajes, como es el caso de los sistemas de tiempo real donde la pérdida o el retraso de un sólo mensaje puede provocar problemas graves. Otras aplicaciones como la videoconferencia, cada vez más extendidas, implican un tráfico de datos con requisitos diferentes, como la calidad de servicio (QoS). Los requisitos de tiempo real y de QoS añaden nuevos retos al ya exigente servicio de comunicación inalámbrica entre estaciones móviles de una MANET. Además, hay aplicaciones en las que hay que tener en cuenta algo más que el simple encaminamiento de los mensajes. Este es el caso de aplicaciones en entornos subterráneos, donde el conocimiento de la evolución de propagación de la señal entre los diferentes nodos puede ser útil para mejorar la calidad de servicio y mantener la conectividad en cada momento. A pesar de ésto, dentro del amplio abanicos de propuestas presente en la literatura, existen un conjunto de limitaciones que van de el mero uso de protocolos simulados a propuestas que no tienen en cuenta entornos no convencionales o que resultan aisladas desde el punto de vista de la integración en sistemas complejos. En esta tesis doctoral, se propone un estudio completo sobre un plataforma inalámbrica de tiempo real, utilizando el protocolo RT-WMP capaz de gestionar trafíco multimedia al mismo tiempo y adaptado al entorno de trabajo. Se propone una extensión para el soporte a los datos con calidad de servicio sin limitar las caractaristícas temporales del protocolo básico. Y con el fin de tener en cuenta el efecto de la propagación de la señal, se caracteriza el entorno por medio de un conjunto de restricciones de conectividad. La solución ha sido desarrollada y su validez ha sido demostrada extensamente en aplicaciones reales en entornos subterráneos, en redes malladas y aplicaciones robóticas

System Engineering Applied to Fuenmayor Karst Aquifer (San Julián de Banzo, Huesca) and Collins Glacier (King George Island, Antarctica)

La ingeniería de sistemas, definida generalmente como arte y ciencia de crear soluciones integrales a problemas complejos, se aplica en el presente documento a dos sistemas naturales, a saber, un sistema acuífero kárstico y un sistema glaciar, desde una perspectiva hidrológica. Las técnicas de identificación, desarrolladas típicamente en ingeniería para representar sistemas artificiales por medio de modelos lineales y no lineales, pueden aplicarse en el estudio de los sistemas naturales donde se producen fenómenos de acoplamiento entre el clima y la hidrosfera. Los métodos evolucionan para afrontar nuevos campos de identificación donde se requieren estrategias para encontrar el modelo idóneo adaptado a las peculiaridades del sistema. En este sentido, se han considerado especialmente las herramientas basadas en la transformada wavelet utilizadas en la preparación de series temporales, suavizado de señales, análisis espectral, correlación cruzada y predicción, entre otros. Bajo este enfoque, una aplicación a mencionar entre las tratadas en esta tesis, es la determinación analítica del núcleo efectivo estacional (SEC) a través del estudio de la coherencia wavelet entre temperatura del aire y la descarga del glaciar, que establece un conjunto de períodos de muestreo aceptablemente coherentes, a partir del cual se crearán los modelos del sistema glacial. El estudio está dirigido específicamente a estimar la influencia de la precipitación sobre la descarga del acuífero kárstico de Fuenmayor, en San Julián de Banzo, Huesca, España. De la misma manera, se ocupa de las consecuencias de la temperatura del aire en la fusión del hielo glaciar, que se manifiesta en la corriente de drenaje del glaciar Collins, isla King George, Antártida. En el proceso de identificación paramétrica y no paramétrica se buscan los modelos que mejor representen la dinámica interna del sistema. Eso conduce a pruebas iterativas, donde se van creando modelos que se verifican sistemáticamente con los datos reales del muestreo, de acuerdo a un criterio de eficiencia dado. La solución mejor valorada según los resultados obtenidos en los casos tratados apuntan a estructuras de modelos en bloques. Esta tesis significa una exposición formal de la metodología de identificación de sistemas propios de la ingeniería en el contexto de los sistemas naturales, que mejoran los resultados obtenidos en muchos casos de la hidrología kárstica que comúnmente usaban métodos ad hoc ocasionales de carácter estadístico; así mismo, los enfoques propuestos en los casos de glaciología con el análisis wavelet y los modelos orientados a datos raramente considerados en la literatura, revelan información esencial ante la imposibilidad de precisar la totalidad de la física que rige el sistema. Notables resultados se derivan en la caracterización de la respuesta del manantial de Fuenmayor y su correlación con la precipitación, desde la perspectiva de un sistema lineal, que se complementa con los métodos de identificación basados en técnicas no lineales. Así mismo, la implementación del modelo para el glaciar Collins, obtenido también mediante métodos de identificación de caja negra, puede revelar una inestabilidad de los límites de los periodos activos de la descarga, y consecuentemente la variabilidad en la tendencia actual en el cambio climático global

La tributación de los hidrocarburos en Castilla y León = Fuel taxation in Castilla y León

En este trabajo se estudia las diferentes figuras tributarias que han afectado a los hidrocarburos hasta diciembre de 2012. En concreto se estudian el Impuesto sobre Hidrocarburos (IH) y el Impuesto sobre las Ventas Minoristas de Determinados Hidrocarburos (IVMDH). Asimismo, se revisan los efectos que han tenido para Castilla y León la implantación del tramo autonómico del IVMDH en la recaudación del tributo, así como en los precios y consumo de los carburantes en la Comunidad. Esta revisión global de la situación, permite extraer algunas conclusiones en el corto plazo sobre las medidas adoptadas en tributación de los hidrocarburo

Migración del sistema operativo de tiempo real MaRTE OS al microprocesador ARM

MaRTE OS (Minimal Real-Time Operating System for Embedded Applications) es un sistema operativo de tiempo real que implementa los servicios definidos en el estándar POSIX.13. En general, el objetivo del estándar POSIX es proporcionar un API a las aplicaciones para abstraerlas del sistema operativo que hay debajo, con el fin de facilitar la migración entre los diferentes sistemas operativos que se ajusten a dicho estándar. En concreto, POSIX.13 está orientado a perfiles de entornos de aplicación de tiempo real, como es nuestro caso, y constituye una versión reducida de POSIX. Actualmente, MaRTE OS ofrece soporte para aplicaciones escritas en C o Ada. El núcleo puede ser compilado junto con dichas aplicaciones para funcionar como proceso de Linux, o para ser ejecutado directamente sobre algunos procesadores de la familia Intel X86 (486, Pentium I y Pentium II). El objetivo final al que apunta este proyecto es a la migración total de MaRTE OS al microprocesador ARM7tdmi (dispuesto en el microcontrolador S3C44B0X), con el fin de ejecutar en él aplicaciones bajo este sistema operativo. MaRTE OS está hecho para ser compilado desde Linux. Es por ello por lo que se ha elegido este último sistema operativo como base para la generación de todo el entorno de desarrollo. Dado que MaRTE OS está hecho en C y Ada ha sido necesario elaborar herramientas de compilación cruzada (GCC y Gnat), de forma que ha sido posible compilar desde Linux, alojado en un PC con procesador de la familia x86, aplicaciones que posteriormente iban a ser ejecutadas en un procesador distinto (el ARM7tdmi). Una vez obtenido el entorno de desarrollo cruzado, se pudo proceder a la programación de la parte de más bajo nivel de MaRTE OS. Esta parte se denomina "interfaz abstracta con el hardware", y proporciona al resto del sistema operativo una visión abstracta de la plataforma sobre la que se está ejecutando. La tarea principal ha sido, pues, reprogramar las rutinas de esta interfaz (definida en un único fichero) satisfaciendo sus dependencias con el hardware. Usando los periféricos dispuestos en la placa utilizada (S3CEV40) se ha conseguido el comportamiento especificado para cada una de estas rutinas, las cuales tienen que ver con la carga/guardado de algunos registros del procesador, dehabilitación/habilitación de interrupciones, temporizaciones, etc... Adicionalmente se han implementado las rutinas de inicialización de los periféricos asociados a la interfaz abstracta con el hardware de MaRTE OS. Además, se proporcionan algunas rutinas adicionales como el manejo de la interrupción de reseteo. Finalmente, se ha incluido una batería de pruebas consistente sobre la interfaz abstracta con el hardware, así como algunos scripts que permiten compilar todos los tests. Tras compilar en Linux nuestras aplicaciones y generar los ejecutables correspondientes es necesario transferirlos a la placa utilizada. Para ello se proporciona un entorno, llamado Embest, que ofrece facilidades para cargar y depurar nuestras aplicaciones en el microcontrolador que se ha usado. El entorno Embest funciona bajo Windows, por lo que es necesario transferir los ejecutables desde Linux (donde hemos compilado nuestra aplicación) a este otro sistema operativo

Valoración del perfil competencial del jefe pedagógico de centros educativos chilenos en contextos vulnerables

La investigación se centra en el perfil de competencias profesionales del jefe pedagógico en centros escolares chilenos situados en contextos vulnerables, identificando sus competencias específicas asociadas a dominios de competencia esenciales, contextualizado a este tipo de centros y según el perfil que considera el empleador. Se trata de una investigación cualitativa de caso único, con metodología mixta y diseño etnográfico, incluyendo el análisis de tres documentos oficiales por el Comité de Jefatura Pedagógica, un grupo focal con sostenedores, así como tres cuestionarios a expertos en el tema y cinco reuniones de trabajo con dicho Comité. Los resultados identifican cuatro dominios: a) Liderazgo pedagógico, referido a guiar e impulsar procesos de enseñanza-aprendizaje de los docentes; b) Acompañamiento pedagógico-administrativo, que se relaciona con coordinar, monitorear y apoyar a los profesores; c) la Gestión curricular de los aprendizajes, que guarda relación con monitorear los procesos escolares; y d) la Gestión de proyectos de innovación, asociada a dirigir y organizar proyectos de innovación propuestos por los profesores. El estudio aporta la identificación de dieciséis competencias profesionales según cuatro dominios aplicables a contextos vulnerables, que fueron sometidas a validación por sostenedores y expertos de Educación Superior. El perfil final elaborado es calificado de Muy Alto y Alto por los estamentos directivos que participaron como muestra piloto durante su aplicación.This study focuses on the professional competency profile of the head of pedagogy in Chilean schools in vulnerable contexts, identifying its specific competencies associated with domains of fundamental competencies, contextualized within these type of centers and according to the profile that the employer sees fit. This is a qualitative research study of a single case that employs mixed methodology and ethnographic design-including the analysis of three official documents from the Pedagogical Management Committee-a focus group consisting of sostenedores-as well as three questionnaires answered by experts on the topic, and five working sessions with the aforementioned Committee. The results identify four domains: a) pedagogical leadership, referring to guiding and promoting teaching/learning processes for teachers; b) pedagogical-administrative support, as pertaining to coordinating, monitoring, and supporting teachers; c) curricular management of learning processes, as pertaining to monitoring school processes; and d) innovation project management, meaning directing and organizing innovation projects proposed by teachers. The study provides the identification of sixteen professional competencies pertaining to four domains applicable to vulnerable contexts, which were validated by higher education experts and sostenedores. The final profile is rated very high and high by the management entities that participated as a pilot sample during the application of the profile model