Las redes de comunicaciones de última generación adoptaron una estructura heterogénea en la cual las macroceldas desplegadas en generaciones precedentes fueron superpuestas con celdas de diversas áreas de cobertura y políticas de acceso para los usuarios. Esta topología se eligió para extender el alcance de las redes anteriores, mejorar el servicio en zonas desfavorecidas y aumentar las tasas de transmisión en toda la red. De esta manera se busca satisfacer la siempre creciente demanda por parte de los usuarios que forman parte del sistema, cuyo número también se ve incrementado cuantiosamente año tras año. Aunque las redes heterogéneas proveen soluciones a las limitaciones de las preexistentes, también conllevan nuevos desafíos generados por su estructura novedosa. Al abandonarse el esquema planificado, uniforme y no superpuesto de zonas de cobertura aparecen situaciones en las cuales los niveles de interferencia que sufren los equipos de comunicaciones son inaceptables. Para que estos escenarios no anulen los beneficios incorporados mediante las redes heterogéneas se requieren soluciones novedosas que eviten o supriman estas interferencias, provocadas tanto dentro de cada celda como entre ellas. Los esquemas tradicionales de acceso múltiple al medio se tornan ineficientes en estos contextos ya que implican una subdivisión excesiva de los recursos, impactando negativamente en el desempeño de toda la red. En esta Tesis se estudian técnicas de alineamiento de interferencias aplicadas a situaciones típicas que se pueden encontrar en redes inalámbricas heterogéneas. Estas técnicas lineales permiten alcanzar alta eficiencia en el uso de los recursos del sistema, ofreciendo a la vez exibilidad para adaptarse a las situaciones siempre cambiantes originadas en las redes que adoptan la nueva topología. Los métodos de supresión de interferencias estudiados aquí se enfocan en resolver situaciones para las cuales la interferencia tiene potencia superior a la señal de interés. En primer lugar se analiza la factibilidad de alinear la interferencia sobre un subespacio dentro de las múltiples dimensiones que ofrecen las señales empleadas en los estándares de comunicación de última generación. En el trabajo se propone una implementación de ese método que ofrece ventajas comparativas respecto de las técnicas de combate de interferencia definidas en los estándares de sistemas preexistentes. Los análisis presentados aquí son respaldados mediante simulaciones de computadora. En la segunda parte se estudia el alineamiento de las señales de autointerferencia, que son auto infligidas por un terminal que transmite y recibe señales simultáneamente usando la misma banda de frecuencias. Esta funcionalidad resulta de máximo interés para los equipos de comunicaciones futuros, ya que no solamente incrementa su efiiciencia espectral sino que también permite una gestión más dinámica y flexible de los sistemas. En esta Tesis se prueba que es factible realizar el alineamiento de autointerferencia usando métodos avanzados de muestreo de señales, y se propone una estructura práctica de un transceptor capaz de lograr dicha función. Mediante análisis y simulaciones se demuestra que el transceptor propuesto tiene ventajas significativas respecto a las soluciones del estado del arte que resuelven el mismo desafío, aún ante imperfecciones que puedan limitar su desempeño. / The latest generation of communication networks adopted a heterogeneous structure in which the legacy macrocells from earlier deployments are overlaid with smaller cells adopting different user subscription policies. This new topology not only extends the coverage zones and improves the service in shadowed areas with respect to previous network implementations, but also significantly increases the transmission rates in the network to satisfy the ever increasing demand both in user number and per-user rates. Although the heterogeneous structure provides solutions to the diffculties earlier networks were facing, they also present their own challenges, especially in terms of strong interference levels that may arise among users and base stations. By abandoning the planned, uniform and non-overlapped base station and coverage area deployment, many situations appear where the interference power levels suffered by the communication devices is inadmissible. Therefore, novel intra- and inter-cell interference suppression techniques are required in order to avoid that these scenarios counteract the numerous benefits associated to heterogeneous networks. The traditional multiple access schemes become inefficient in these situations since they divide all the available resources, and this has a network wide negative impact. This Thesis presents the analysis of interference alignment techniques applied to typical situations in these networks. The linear techniques studied here enable effcient system resource exploitation, offering at the same time high flexibility to adapt to the constantly evolving conditions in the network. Their study is oriented to solve situations where the interference is stronger than the desired signal. First, the interference alignment feasibility is analyzed using the multiple signal dimensions offered by the signals used in the standards of the latest-generation mobile communication systems. This work proposes an implementation of this method which o ers comparative advantages with respect to standard-defined interference suppression strategies. The analysis of this proposal is supported by numerical results obtained using computer simulations. Next, the self-interference alignment problem is studied. These signals are selfinflicted by a terminal transmitting and receiving simultaneously at the same frequency band. This functionality is of high interest for future communication systems, since it not only increases their spectral efficiency, but it also allows to manage them in a more dynamic and exible manner, and it would also enable greater abilities for their terminals. This Thesis proves the feasibility of self-interference alignment using advanced sampling methods, and also proposes a practical transceiver structure which is able to perform this function. By means of analysis and simulations it is shown that the proposed transceiver has significant advantages with respect to the state-of-theart solutions for the same challenge, even when it is subject to performance limiting imperfections.

En la presente Tesis se proponen soluciones para aliviar el alto coste, en rendimiento y consumo, de las comunicaciones intra-chip a través de los alambres globales. En concreto, se propone utilizar redes heterogéneas que permiten una mejor adaptación a las necesidades de los diferentes tipos de mensajes de coherencia.Nuestra primera propuesta consiste en dividir las respuestas con datos en un mensaje corto crítico, enviado usando enlaces de baja latencia, y un mensaje largo no crítico enviado usando enlaces de bajo consumo. La segunda propuesta utiliza la compresión de direcciones en el contexto de una red de interconexión heterogénea que permite la compresión de mayoría de los mensajes críticos en unos pocos bytes, siendo transmitidos usando enlaces de muy baja latencia. Finalmente, se explora el uso de la prebúsqueda por hardware para aliviar los problemas derivados de las altas latencias de los enlaces globales. / In this thesis we propose different ways to alleviate the high cost, in terms of performance and power consumption, of the intra-chipcommunications using global wires. In particular, we considerheterogeneous networks to obtain a better match between thenetwork-on-chip and the needs of the different types of coherencemessages.Our first contribution proposes the partitioning of reply messages with data into a short critical message, which is sent using low-latency links, as well as a long non-critical message sent using low-power links. The second contribution exploits the use of address compression in the context of a heterogeneous interconnect to allow most of the critical messages to be compressed in a few bytes and transmitted using very low latency links. Finally, we explore the use of heterogeneous networks in the context of hardware prefetching to alleviate the problems caused by high latencies of global links.

[ES] Las redes de sensores inalámbricas (WSN) han experimentado un resurgimiento debido al desarrollo de la Internet de las Cosas (IoT). Una de las características de las aplicaciones de la IoT es la necesidad de hacer uso de dispositivos sensores y actuadores. En aplicaciones como automatización de edificios, de gestión energética, industriales o de salud, los nodos sensores que componen la WSN, transmiten información a un colector central o sink. La información es posteriormente procesada, analizada y utilizada para propósitos específicos. En cada una de estas aplicaciones, los dispositivos sensores pueden considerarse como parte de una WSN. En ese sentido el modelado y la evaluación de las prestaciones en las WSN es importante, ya que permite obtener una visión más clara de su comportamiento, facilitando un adecuado diseño y una exitosa puesta en operación. En el presente trabajo de tesis se han desarrollado modelos matemáticos para evaluar las prestaciones de WSN, los cuales están basados en Cadenas de Markov en Tiempo Discreto (DTMC). Los parámetros de prestaciones elegidos para la evaluación son: energía consumida promedio, eficiencia energética, caudal cursado y retardo promedio de los paquetes. Los resultados que se han obtenido han sido validados por medio de simulación basada en eventos discretos (DES). Existen estudios de WSN en escenarios homogéneos, donde los nodos que componen la red inalámbrica son del mismo tipo y tienen las mismas características de operación. En estos análisis se definen WSN homogéneas compuestas por un nodo central o sumidero (sink), que recibe la información de los nodos sensores localizados alrededor, formando una célula o cluster. Estos nodos realizan las transmisiones en SPT (Single Packet Transmission), enviando un solo paquete por ciclo de transmisión. Sin embargo, es posible encontrar, más ahora con el desarrollo de la IoT, escenarios donde coexisten distintos tipos de nodos, con características diferentes y, por tanto, con requerimientos de operación específicos. Esto da lugar a la formación de clusters cuyos nodos tienen aplicaciones distintas, desigual consumo de energía, diversas tasas de trasmisión de datos, e incluso diferentes prioridades de acceso al canal de transmisión. Este tipo de escenarios, que denominamos heterogéneos, forman parte de los escenarios estudiados en el presente trabajo de tesis. En una primera parte, se ha desarrollado un modelo para evaluar las prestaciones de una WSN heterogénea y con prioridades de acceso al medio. El modelado incluye un par de DTMC de dos dimensiones (2D-DTMC) cada una, cuya solución en términos de la distribución de probabilidad estacionaria, es utilizada para determinar los parámetros de prestaciones. Se desarrollan, por tanto, expresiones cerradas para los parámetros de prestaciones, en función de la distribución estacionaria que se ha obtenido a partir de la solución de las 2D-DTMC. En una segunda parte, se desarrolla un modelo analítico también pensado para escenarios heterogéneos y con prioridades, pero en el que los nodos de la WSN, cuando consiguen acceso al canal, transmiten un conjunto de paquetes en vez de uno solo como en el modelo de la primera parte. Estos dos modos de operación de los sensores los denominamos aggregated packet trans- mission (APT) y single packet transmission (SPT), respectivamente. El número de paquetes que un nodo funcionando en APT trasmite cuando accede al canal es el menor entre un parámetro configurable y el número de paquetes que tuviera en la cola en ese momento. Este modo de operación consigue una mayor eficiencia energética y un aumento en el caudal cursado, además de una disminución en el retardo promedio de los paquetes. En una tercera parte, se propone un nuevo procedimiento analítico para la determinación del consumo energético de los nodos que conforman una WSN. A diferencia de los métodos de cálculo anteriores, la nueva prop / [CA] Les xarxes de sensors sense fils (WSN) han experimentat un ressorgiment causa de al desenvolupament de la Internet de les Coses (IoT). Una de les característiques de IoT és la inclusió, en les seves aplicacions, de dispositius sensors i actuadors. En aplicacions com automatització d'edificis, de gestió energètica, industrials o de salut, els nodes sensors que componen la WSN, transmeten informació a un col·lector central o sink. La informació és posteriorment processada, analitzada i utilitzada per a propòsits específics. En cadascuna d'aquestes aplicacions, els dispositius sensors poden considerar com a part d'una WSN. En aquest sentit el modelitzat i l'avaluació de l'acompliment en les WSN és important, ja que permet obtenir una visió més clara del seu comportament, facilitant un adequat disseny i una exitosa posada en operació. En el present treball de tesi s'han desenvolupat models matemàtics per avaluar l'acompliment de WSN, els quals estan basats en Cadenes de Markov en Temps Discret (DTMC). Els paràmetres d'acompliment obtinguts per a l'avaluació són: energia consumida mitjana, eficiència energètica, cabal cursat i retard mitjà dels paquets. Els resultats que s'han obtingut, han estat validats per mitjà de simulació basada en esdeveniments discrets (DES). Existeixen estudis de WSN en escenaris homogenis, on els nodes que componen la xarxa sense fils són de el mateix tipus i tenen les mateixes característiques d'operació. En aquests anàlisis prèvies es defineixen WSN homogènies compostes per un node central o embornal (sink), que rep la informació dels nodes sensors localitzats al voltant, formant una cèl·lula o cluster. Aquests nodes realitzen les transmissió en SPT (Single Packet Transmission), és a dir, enviant un sol paquet cada vegada que transmeten. No obstant això, és possible trobar, més ara amb el desenvolupament de la IOT, escenaris on hi ha una coexistència de distints tipus de nodes, amb característiques diferents i, per tant, amb requeriments d'operació específics. Això dona lloc a formació de clusters els nodes tenen aplicacions diferents, desigual consum d'energia, diverses taxes de transmissió de dades, i fins i tot diferent prioritats d'accés a canal de transmissió. Aquest tipus d'escenaris, que anomenem heterogenis, formen part dels escenaris estudiats en el present treball de tesi. En una primera part, s'ha desenvolupat un model per avaluar l'acompliment d'una WSN heterogènia i amb prioritats d'accés al medi. El modelitzat inclou un parell DTMC de dues dimensions (2D-DTMC), la solució en termes de la distribució estacionària de probabilitat, és utilitzada per obtenir posteriorment els paràmetres d'acompliment. Es desenvolupen, per tant, expressions tancades per a la determinació dels paràmetres d'acompliment, on és substituïda la distribució estacionària que s'ha obtingut a partir de la solució de les 2D-DTMC. En una segona part, es desenvolupa un model, en el qual els nodes pertanyents a la WSN, poden transmetre els seus paquets en agregat (APT) en escenaris heterogenis i amb prioritats. A diferència del model anterior, on els nodes transmeten un paquet per cicle (SPT), en APT els nodes poden transmetre més d'un paquet. Això porta com a conseqüència una major eficiència energètica, a més d'un augment en el cabal cursat i disminució en el retard mitjana. En una tercera part, es proposa un nou desenvolupament analític per a la determinació del consum energètic dels nodes que conformen una WSN. A diferència de les expressions utilitzades anteriorment per al càlcul del consum energètic, aquesta proposta alternativa permet obtenir resultats més precisos a través del desenvolupament d'expressions més intuïtives i sistemàtiques. Amb aquest nou procediment, es realitzen estudis energètics per WSN en escenaris homogenis i heterogenis. / [EN] Wireless sensor networks (WSN) have experienced a resurgence due to the development of the Internet of Things (IoT). One of the characteristics of IoT is the deployment of applications that require sensor devices and actuators. In applications such as building automation, energy management, industrial or health, the sensor nodes that make up the WSN transmit information to a central collector or sink. The information is processed, analyzed, and used for specific purposes. In each of these applications, the sensor devices can be considered part of a WSN. In this sense, the modeling and performance evaluation of WSN is important, since it allows obtaining a clearer vision of their behavior, facilitating an adequate design and a successful operation. In the present thesis, analytical models based on Discrete Time Markov Chains (DTMC) have been developed to evaluate the performance of WSN. The parameters defined for the performance evaluation are: average consumed energy, energy efficiency, throughput and average packet delay. The obtained results have been validated by means of discrete event simulation (DES). There are studies of WSN in homogeneous scenarios, where the nodes that compose the WSN are of the same type and have the same operating characteristics. In these previous studies, homogeneous WSN are defined as a cell or cluster composed of a central node or sink, which receives the information from the sensor nodes located around it. These nodes operate in SPT (Single Packet Transmission), sending a single packet per transmission cycle. However, it is possible to find, especially now with the development of the IoT, scenarios where different types of nodes coexist, although they have different characteristics or specific operational requirements. This results in the formation of clusters whose nodes have different applications, uneven power consumption, different data transmission rates, and even different priorities for access to the transmission channel. These types of scenarios, which we call heterogeneous, are part of the scenarios studied in this thesis work. In the first part, a model has been developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN and with priorities to access a common channel. The model includes a two-dimensional DTMC pair (2D-DTMC), whose solution in terms of the stationary probability distribution is used to obtain the performance parameters. Closed expressions are provided for the determination of performance parameters of interest, given in terms of the stationary distribution of the 2D-DTMC. In a second part, an analytical model is developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN, where nodes operate in aggregate packet transmission (APT) mode and deploy different channel access priorities. Un like the previous model, where the nodes transmit one packet per cycle (SPT) when they gain access to the channel, in APT the nodes can transmit a number of packets larger than one, that is the minimum between a configurable parameter and the number of packets in the packet queue of the node. This results in greater energy efficiency and throughput, while decreases the average packet delay. In a third part, a new analytical model is proposed to determine the energy consumption of the nodes that make up a WSN. Unlike previous computation procedures, this alternative proposal is based on more intuitive and systematic expressions and allows to obtain more accurate results. With this new procedure, energy studies are performed for WSN in homogeneous and heterogeneous scenarios. / Este trabajo se ha desarrollado en el marco de los siguientes proyectos de investigación: Platform of Services for Smart Cities with Dense Machine to Machine Networks, PLASMA, TIN2013-47272-C2-1-R and New Paradigms of Elastic Networks for a World Radically Based on Cloud and Fog Computing, Elastic Networks, TEC2015-71932-REDT. También quisiera agradecer el apoyo recibido por parte de the European Union under the program Erasmus Mundus Partnerships, project EuroinkaNet, GRANT AGREEMENT NUMBER - 2014-0870/001/001 y La Secretaria de Educación Pública (México), bajo el Programa para el Desarrollo Profesional Docente: SEP-SES (DSA/103.5/15/6629). / Portillo Jiménez, C. (2021). Modelado y evaluación de prestaciones de redes de sensores inalámbricos heterogéneos con ciclo de trabajo síncrono [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171275