Factory shop floors of the future will see a significant increase in interconnected devices for monitoring and control. However, if a Service Orientated Architecture (SOA) is implemented on all such devices then this will result in a large number of permutations of services and composite services. These services combined with other business level components can pose a huge challenge to manage as it is often difficult to keep an overview of all the devices, equipment and services. This thesis proposes an SOA based novel assimilation architecture for integrating disparate industrial hardware based processes and business processes of an enterprise in particular the plastics machinery environment. The key benefits of the proposed architecture are the reduction of complexity when integrating disparate hardware platforms; managing the associated services as well as allowing the Micro Injection Moulding (µIM) process to be monitored on the web through service and data integration. An Enterprise Service Bus (ESB) based middleware layer integrates the Wireless Sensor Network (WSN) based environmental and simulated machine process systems with frontend Google Gadgets (GGs) based web visualisation applications. A business process framework is proposed to manage and orchestrate the resulting services from the architecture. Results from the analysis of the WSN kits in terms of their usability and reliability showed that the Jennic WSN was easy to setup and had a reliable communication link in the polymer industrial environment with the PER being below 0.5%. The prototype Jennic WSN based µIM process monitoring system had limitations when monitoring high-resolution machine data, therefore a novel hybrid integration architecture was proposed. The assimilation architecture was implemented on a distributed server based test bed. Results from test scenarios showed that the architecture was highly scalable and could potentially allow a large number of disparate sensor based hardware systems and services to be hosted, managed, visualised and linked to form a cohesive business process.

Varje dag kopplas tusentals godsvagnar om på de olika rangerbangårdarna i Sverige. För att kunna automatiskt bromsa vagnarna tillräckligt mycket är det nödvändigt att veta deras hastigheter. En teknik som har blivit populär på sistone är Light Detection and Ranging (LiDAR) som använder ljus för att mäta avstånd till objekt. Den här rapporten diskuterar design- och implementationsprocessen av ett trådlöst sensornätverk bestående av en LiDARutrustad sensornod. Designprocessen gav en insikt i hur LiDAR-sensorer bör placeras för att täcka en så stor yta som möjligt. Sensornoden var programmerad att bestämma avståndet av objekt genom att använda Random Sample Consensus (RANSAC) för att ta bort outliers och sen linjär regression på de inliers som detekterats. Implementationen utvärderades genom att bygga ett litet spår med en låda som kunde glida fram och tillbaka över spåret. LiDAR- sensorn placerades med en vinkel vid sidan om spåret. Resultaten visade att implementationen både kunde detektera objekt på spåret och också hastigheten av objekten. En simulation gjordes också med hjälp av en 3D-modell av en tågvagn för att se hur väl algoritmen hanterade ojämna ytor. LiDAR-sensorn i simuleringen hade en strålavvikelse på 0_. 30% av de simulerade mätvärdena gjordes om till outliers för att replikera dåliga väderförhållanden. Resultaten visade att RANSAC effektivt kunde ta bort outliers men att de ojämna ytorna på tåget ledde till felaktiga hastighetsmätningar. En slutsats var att en sensor med en divergerande stråle möjligtvis skulle leda till bättre resultat. Framtida arbete inkluderar att utvärdera implementationen på en riktig bangård, hitta optimala parametrar för algoritmen samt evaluera algoritmer som kan filtrera data från ojämn geometri. / Every day, thousands of train wagons are coupled on the multiple classification yards in Sweden. To be able to automatically brake the wagons a sufficient amount, it is a necessity to determine the speed of the wagons. A technology that has been on the rise recently is Light Detection and Ranging (LiDAR) that emits light to determine the distance to objects. This report discusses the design and implementation of a wireless sensor network consisting of a LiDAR-equipped sensor node. The design process provided insight into how LiDAR sensors may be placed for maximum utilization. The sensor node was programmed to determine the speed of an object by first using Random Sample Consensus (RANSAC) for outlier removal and then linear regression on the inliers. The implementation was evaluated by building a small track with an object sliding over it and placing the sensor node at an angle to the side of the track. The results showed that the implementation could both detect objects on the track and also track the speed of the objects. A simulation was also made using a 3D model of a wagon to see how the algorithm performs on non-smooth surfaces. The simulated LiDAR sensor had a beam divergence of 0_. 30% of the simulated measurements were turned into outliers to replicate bad weather conditions. The results showed that RANSAC was efficient at removing the outliers but that the rough surface of the wagon resulted in some incorrect speed measurements. A conclusion was made that a sensor with some beam divergence could be beneficial. Future work includes testing the implementation in real-world scenarios, finding optimal parameters for the proposed algorithm, and to evaluate algorithms that can filter rough geometry data.

The aim of this project was to produce an integrate-able free space optical transceiver for Specks. Specks are tiny computing units that together can form a powerful network called a SpeckNet. The SpeckNet platform is developed by the SpeckNet consortium, which consists of five Scottish Universities and combines computer science, electrical engineering and digital signal processing groups. The principal goal of creating an optical transceiver was achieved by integrating in-house fabricated VCSELs (with lasing thresholds below 400 uA) and custom designed detectors on the SpeckNet platform. The transceiver has a very low power consumption (approximately 100 uW), which removes the need for synchronous communication through the SpeckNet thus making the network more efficient. I describe both static and dynamic beam control techniques. For static control, I used micro-lenses. I fabricated the lenses by greyscale electron beam lithography and integrated them directly on VCSEL arrays. I achieved a steering angle of 10 degrees with this design. I also looked at integrated gratings etched straight into a VCSEL and observed beam steering with an efficiency of 60% For dynamic control, I implemented a liquid crystal (LC) design. I built a LC cell with 30 individually controlled pixels, but I only achieved a steering angle of 1 degree. Furthermore, I investigated two different techniques for achieving beam steering by interference, using coupled VCSELs (a phased array approach). Firstly, using photonic crystals etched into the surface of the VCSEL, I built coupled laser cavities. Secondly, I designed and built bow-tie type VCSELs that were optically coupled but electrically isolated. These designs work by differential current injection causing an interference effect in the VCSELs far field. This technique is the first stepping stone towards realising a phased optical array. Finally, I considered signal detection. Using the same VCSEL material, I built a resonant-cavity detector. This detector had a better background rejection ratio than commercially available silicon devices.

Factory shop floors of the future will see a significant increase in interconnected devices for monitoring and control. However, if a Service Orientated Architecture (SOA) is implemented on all such devices then this will result in a large number of permutations of services and composite services. These services combined with other business level components can pose a huge challenge to manage as it is often difficult to keep an overview of all the devices, equipment and services. This thesis proposes an SOA based novel assimilation architecture for integrating disparate industrial hardware based processes and business processes of an enterprise in particular the plastics machinery environment. The key benefits of the proposed architecture are the reduction of complexity when integrating disparate hardware platforms; managing the associated services as well as allowing the Micro Injection Moulding (µIM) process to be monitored on the web through service and data integration. An Enterprise Service Bus (ESB) based middleware layer integrates the Wireless Sensor Network (WSN) based environmental and simulated machine process systems with frontend Google Gadgets (GGs) based web visualisation applications. A business process framework is proposed to manage and orchestrate the resulting services from the architecture. Results from the analysis of the WSN kits in terms of their usability and reliability showed that the Jennic WSN was easy to setup and had a reliable communication link in the polymer industrial environment with the PER being below 0.5%. The prototype Jennic WSN based µIM process monitoring system had limitations when monitoring high-resolution machine data, therefore a novel hybrid integration architecture was proposed. The assimilation architecture was implemented on a distributed server based test bed. Results from test scenarios showed that the architecture was highly scalable and could potentially allow a large number of disparate sensor based hardware systems and services to be hosted, managed, visualised and linked to form a cohesive business process.

La réglementation mondiale, pour des appareils de courte portée, permet l’utilisation sans licence de plusieurs Gigahertz de bande autour de 60 GHz. La bande des 60 GHz répond aux besoins des applications telles que les réseaux de capteurs très haut débit autonome en énergie,ou les transmissions à plusieurs Gbit/s avec des contraintes de consommation d’énergie. Il y a encore peu de temps, les interfaces radios fonctionnant dans la bande millimétrique n’étaient réalisables qu’en utilisant des technologies III-V couteuses. Aujourd’hui, les avancées des technologies CMOS nanométriques permettent la conception et la production en masse des circuits intégrées radiofréquences (RFIC) à faible coût.Cette thèse s’inscrit dans des travaux de recherches dédiés à la réalisation d’un système dans un boîtier (SiP, System in Package) à 60 GHz contenant à la fois l’interface radio (bande de base et circuits RF) ainsi qu’un réseau d’antennes. La première partie de cette thèse est dédiée la conception de la tête RF de l’émetteur-récepteur à faible consommation pour l’interface radio. Les blocs clefs de cette tête RF (amplificateurs, mélangeurs et un oscillateur commandé en tension) sont conçus, réalisés et mesurés en utilisant la technologie CMOS 65 nm de ST Microelectronics. Des éléments actifs et passifs sont développés spécifiquement pour l’utilisation au sein de ces blocs. Une étape importante vers l’intégration de la tête RF complète de l’émetteur-récepteur est l’assemblage de ces blocs de base afin de réaliser une puce émetteur et une puce récepteur. A ce but, une tête RF pour le récepteur a été réalisée. Ce circuit présent une consommation et un encombrement plus réduit que l’état de l’art.La deuxième partie de cette thèse présente le développement des modèles comportementaux des blocs de base conçus. Ces modèles au niveau système sont nécessaires afin de simuler le comportement du SIP, qui devient trop complexe si des modèles détaillés du niveau circuitsont utilisés. Dans cette thèse, une nouvelle technique modélisant le comportement en régime transitoire et régime permanent ainsi que le bruit de phase des oscillateurs commandés en tension est proposée. Ce modèle est implémenté dans le langage de description de matérielVHDL-AMS. La technique proposée utilise des réseaux de neurones artificiels pour approximer la caractéristique non linéaire du circuit. La dynamique est décrite dans l’espace d’état. Grâce à ce modèle, il est possible de réduire d’une façon drastique le temps de calcul des simulations système tout en conservant une excellente précision / Worldwide regulations for short range communication devices allow the unlicensed use of several Gigahertz of bandwidth in the frequency band around 60GHz. This 60GHz band is ideally suited for applications like very high data rate, energy-autonomous wireless sensor networks or Gbit/s multimedia links with low power constraints. Not long ago, radio interfaces that operate in the millimeter-wave frequency range could only be realized using expensive compound semiconductor technologies. Today, the latest sub-micron CMOS technologies can be used to design 60GHz radio frequency integrated circuits (RFICs)at very low cost in mass production. This thesis is part of an effort to realize a low power System in Package (SiP) including both the radio interface (with baseband and RF circuitry) and an antenna array to directly transmit and receive a 60GHz signal. The first part of this thesis deals with the design of the low power RF transceiver front-end for the radio interface. The key building blocks of this RF front-end (amplifiers, mixers and a voltage controlled oscillator (VCO)) are designed, realized and measured using the 65nm CMOS technology of ST Microelectronics. Full custom active and passive devices are developed for the use within these building blocks. An important step towards the full integration of the RF transceiver front-end is the assembly of these building blocks to form basic transmitter and receiver chips. Circuits with small chip size and low power consumption compared to the state of the art have been accomplished.The second part of this thesis concerns the development of behavioral models for the designed building blocks. These system level models are necessary to simulate the behavior of the entire SiP, which becomes too complex when using detailed circuit level models. In particular, a novel technique to model the transient, steady state and phase noise behavior of the VCO in the hardware description language VHDL-AMS is proposed and implemented. The model uses a state space description to describe the dynamic behavior of the VCO. Its nonlinearity is approximated by artificial neural networks. A drastic reduction of simulation time with respect to the circuit level model has been achieved, while at the same time maintaining a very high level of accuracy

Dans le domaine des réseaux de capteurs sans-fil (dits « WSN »), les piles réseau spécialisées constituent un domaine de recherche très actif depuis maintenant de nombreuses années. Toutefois, beaucoup de ces études, notamment concernant les couches basses de ces piles réseau, n’ont pas dépassé le stade de la théorie. Leurs implantations n’ont sauf exception pas fait l’objet d’efforts poussés ou systématiques, surtout dans le cadre des systèmes d’exploitation spécialisés. Nous nous proposons donc, dans cette thèse, de nous focaliser sur l’analyse des interactions entre les protocoles des couches basses et les plates-formes logicielles dédiées, et de les optimiser, notamment au niveau de l’implantation. Nous passons d’abord en revue et évaluons les différents systèmes d’exploitation spécialisés, et choisissons celui offrant les fonctionnalités, notamment temps-réel, que nous estimons nécessaires pour implanter des protocoles MAC / RDC novateurs et performants. Nous entreprenons ensuite un effort d’étude, d’amélioration et d’optimisation de ces couches basses des piles spécialisées, et montrons, avec une implantation concrète d’un de nos protocoles MAC / RDC avancés, que nous pouvons amener des progrès notables dans la qualité de service (QdS) des WSN, notamment avec un trafic réseau intense. Nous examinons en outre des inexactitudes inattendues dans les simulations / émulations effectuées par Cooja / MSPSim, et analysons les problèmes de fiabilité posés par l’utilisation de cet outil pour effectuer des évaluations de performances, notamment temporelles, de WSN. Nous proposons enfin de nouvelles pistes pour de futures améliorations et optimisations de ces couches basses des piles réseau spécialisées, afin d’améliorer encore la fiabilité, les performances et la consommation énergétique des WSN. / In the field of wireless sensors networks (WSN), specialized network stacks have been a very active research field for many years. However, most of this research, especially on lower layers of the network stacks, did not go beyond theory. Their implementations have generally not been the subject of deep or systematic effort, especially within the framework of dedicated operating systems. We thus propose, in this thesis, to focus on interaction analysis between lower layers’ protocols and dedicated software platforms, and to optimize them, especially at the implementation level. We first review and evaluate the various dedicated operating systems, and choose the one offering the necessary features to implement efficient and innovative MAC/RDC protocols. We then study, improve and optimize these lower layers of specialized stacks, and show, with an actual implementation of one of our advanced MAC/RDC protocols, that we can bring significant improvements in the quality of service (QoS) of WSNs, especially under heavy network traffic. We also report inaccuracies in Cooja/MSPSim simulations/emulations, and analyze the reliability issues caused by the use of this tool for performing evaluations (especially time-related) of WSNs. We finally propose some new leads for future enhancements and optimizations of the lower layers of these specialized network stacks, in order to further improve the liability, performances and energy consumption of WSNs.

L'objectif de la thèse est d'étudier la variation temporelle de la qualité des liens dans les réseaux de capteurs sans fil à grande échelle, de concevoir des estimateurs permettant la différenciation, à court terme et long terme, entre liens de qualité hétérogène. Tout d'abord, nous étudions les caractéristiques de deux paramètres de la couche physique: RSSI (l'indicateur de puissance du signal reçu) et LQI (l'indicateur de la qualité de liaison) sur SensLab, une plateforme expérimentale de réseau de capteurs à grande échelle situé à l'intérieur de bâtiments. Nous observons que le RSSI et le LQI permettent de discriminer des liens de différentes qualités. Ensuite, pour obtenir un estimateur de PRR, nous avons approximé le diagramme de dispersion de la moyenne et de l'écart-type du LQI et RSSI par une fonction Fermi-Dirac. La fonction nous permet de trouver le PRR à partir d'un niveau donné de LQI. Nous avons évalué l'estimateur en calculant le PRR sur des fenêtres de tailles variables et en le comparant aux valeurs obtenues avec l'estimateur. Par ailleurs, nous montrons en utilisant le modèle de Gilbert-Elliot (chaîne de Markov à deux états) que la corrélation des pertes de paquets dépend de la catégorie de lien. Le modèle permet de distinguer avec précision les différentes qualités des liens, en se basant sur les probabilités de transition dérivées de la moyenne et de l'écart-type du LQI. Enfin, nous proposons un modèle de routage basé sur la qualité de lien déduite de la fonction de Fermi-Dirac approximant le PRR et du modèle Markov Gilbert-Elliot à deux états. Notre modèle est capable de distinguer avec précision les différentes catégories de liens ainsi que les liens fortement variables. / The goal of the thesis is to investigate the issues related to the temporal link quality variation in large scale WSN environments, to design energy efficient link quality estimators able to distinguish among links with different quality on a short and a long term. First, we investigate the characteristics of two physical layer metrics: RSSI (Received Signal Strength Indication) and LQI (Link Quality Indication) on SensLAB, an indoor large scale wireless sensor network testbed. We observe that RSSI and LQI have distinct values that can discriminate the quality of links. Second, to obtain an estimator of PRR, we have fitted a Fermi-Dirac function to the scatter diagram of the average and standard variation of LQI and RSSI. The function enables us to find PRR for a given level of LQI. We evaluate the estimator by computing PRR over a varying size window of transmissions and comparing with the estimator. Furthermore, we show using the Gilbert-Elliot two-state Markov model that the correlation of packet losses and successful receptions depend on the link category. The model allows to accurately distinguish among strongly varying intermediate links based on transition probabilities derived from the average and the standard variation of LQI. Finally, we propose a link quality routing model driven from the F-D fitting functions and the Markov model able to discriminate accurately link categories as well as high variable links.

Wireless sensor networks form an emerging class of computing devices capable of observing the world with an unprecedented resolution, and promise to provide a revolutionary instrument for environmental monitoring. Such a network is composed of a collection of battery-operated wireless sensors, or sensor nodes, each of which is equipped with sensing, processing and wireless communication capabilities. Thanks to advances in microelectronics and wireless technologies, wireless sensors are small in size, and can be deployed at low cost over different kinds of environments in order to monitor both over space and time the variations of physical quantities such as temperature, humidity, light, or sound. <p><p>In environmental monitoring studies, many applications are expected to run unattended for months or years. Sensor nodes are however constrained by limited resources, particularly in terms of energy. Since communication is one order of magnitude more energy-consuming than processing, the design of data collection schemes that limit the amount of transmitted data is therefore recognized as a central issue for wireless sensor networks.<p><p>An efficient way to address this challenge is to approximate, by means of mathematical models, the evolution of the measurements taken by sensors over space and/or time. Indeed, whenever a mathematical model may be used in place of the true measurements, significant gains in communications may be obtained by only transmitting the parameters of the model instead of the set of real measurements. Since in most cases there is little or no a priori information about the variations taken by sensor measurements, the models must be identified in an automated manner. This calls for the use of machine learning techniques, which allow to model the variations of future measurements on the basis of past measurements.<p><p>This thesis brings two main contributions to the use of learning techniques in a sensor network. First, we propose an approach which combines time series prediction and model selection for reducing the amount of communication. The rationale of this approach, called adaptive model selection, is to let the sensors determine in an automated manner a prediction model that does not only fits their measurements, but that also reduces the amount of transmitted data. <p><p>The second main contribution is the design of a distributed approach for modeling sensed data, based on the principal component analysis (PCA). The proposed method allows to transform along a routing tree the measurements taken in such a way that (i) most of the variability in the measurements is retained, and (ii) the network load sustained by sensor nodes is reduced and more evenly distributed, which in turn extends the overall network lifetime. The framework can be seen as a truly distributed approach for the principal component analysis, and finds applications not only for approximated data collection tasks, but also for event detection or recognition tasks. <p><p>/<p><p>Les réseaux de capteurs sans fil forment une nouvelle famille de systèmes informatiques permettant d'observer le monde avec une résolution sans précédent. En particulier, ces systèmes promettent de révolutionner le domaine de l'étude environnementale. Un tel réseau est composé d'un ensemble de capteurs sans fil, ou unités sensorielles, capables de collecter, traiter, et transmettre de l'information. Grâce aux avancées dans les domaines de la microélectronique et des technologies sans fil, ces systèmes sont à la fois peu volumineux et peu coûteux. Ceci permet leurs deploiements dans différents types d'environnements, afin d'observer l'évolution dans le temps et l'espace de quantités physiques telles que la température, l'humidité, la lumière ou le son.<p><p>Dans le domaine de l'étude environnementale, les systèmes de prise de mesures doivent souvent fonctionner de manière autonome pendant plusieurs mois ou plusieurs années. Les capteurs sans fil ont cependant des ressources limitées, particulièrement en terme d'énergie. Les communications radios étant d'un ordre de grandeur plus coûteuses en énergie que l'utilisation du processeur, la conception de méthodes de collecte de données limitant la transmission de données est devenue l'un des principaux défis soulevés par cette technologie. <p><p>Ce défi peut être abordé de manière efficace par l'utilisation de modèles mathématiques modélisant l'évolution spatiotemporelle des mesures prises par les capteurs. En effet, si un tel modèle peut être utilisé à la place des mesures, d'importants gains en communications peuvent être obtenus en utilisant les paramètres du modèle comme substitut des mesures. Cependant, dans la majorité des cas, peu ou aucune information sur la nature des mesures prises par les capteurs ne sont disponibles, et donc aucun modèle ne peut être a priori défini. Dans ces cas, les techniques issues du domaine de l'apprentissage machine sont particulièrement appropriées. Ces techniques ont pour but de créer ces modèles de façon autonome, en anticipant les mesures à venir sur la base des mesures passées. <p><p>Dans cette thèse, deux contributions sont principalement apportées permettant l'applica-tion de techniques d'apprentissage machine dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil. Premièrement, nous proposons une approche qui combine la prédiction de série temporelle avec la sélection de modèles afin de réduire la communication. La logique de cette approche, appelée sélection de modèle adaptive, est de permettre aux unités sensorielles de determiner de manière autonome un modèle de prédiction qui anticipe correctement leurs mesures, tout en réduisant l'utilisation de leur radio.<p><p>Deuxièmement, nous avons conçu une méthode permettant de modéliser de façon distribuée les mesures collectées, qui se base sur l'analyse en composantes principales (ACP). La méthode permet de transformer les mesures le long d'un arbre de routage, de façon à ce que (i) la majeure partie des variations dans les mesures des capteurs soient conservées, et (ii) la charge réseau soit réduite et mieux distribuée, ce qui permet d'augmenter également la durée de vie du réseau. L'approche proposée permet de véritablement distribuer l'ACP, et peut être utilisée pour des applications impliquant la collecte de données, mais également pour la détection ou la classification d'événements. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The use of Internet of Things systems has increased to meet the need for smart systems in various fields, such as smart homes, intelligent industries, medical systems, agriculture, and the military. IoT networks are expanding daily to include hundreds and thousands of IoT devices, which transmit information through other linked devices to reach the network sink or gateway. The information follows different routes to the network sink. Finding an ideal routing solution is a big challenge due to several factors, such as power, computation, storage, and memory limitation for IoT devices. In 2011, A new standardized routing protocol for low-power and lossy networks was released by the Internet Engineering task force (IETF). The IETF adopted a distance vector routing algorithm for the RPL protocol. RPL protocol utilizes the objective functions (OFs) to select the path depending on diffident metrics.These OFs with different metrics must be evaluated and tested to develop the best routing solution.This project aims to test the performance of standardized RPL objective functions in a simulation environment. Afterwards, a new objective function with a new metric will be implemented and tested in the same environmental conditions. The performance results of the standard objective functions and the newly implemented objective function will be analyzed and compared to evaluate whether the standard objective functions or the new objective function is better as a routing solution for the IoT devices network.

[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