Gated Recurrent Unit Neural Networks for Automatic Modulation Classification With Resource-Constrained End-Devices

The article “Gated Recurrent Unit Neural Networks for Automatic Modulation Classification With Resource-Constrained End-Devices” by our lab member Ramiro Utrilla has just been published in the IEEE Access, a high-impact open-access journal.

This work has been carried out in collaboration with researchers from the CONNECT – Centre for Future Networks and Communications in Dublin (Ireland), where Ramiro carried out a research stay of 3 months.

In this article, they focus on the Automatic Modulation Classification (AMC). AMC is essential to carry out multiple CR techniques, such as dynamic spectrum access, link adaptation and interference detection, aimed at improving communications throughput and reliability and, in turn, spectral efficiency. In recent years, multiple Deep Learning (DL) techniques have been proposed to address the AMC problem. These DL techniques have demonstrated better generalization, scalability and robustness capabilities compared to previous solutions. However, most of these techniques require high processing and storage capabilities that limit their applicability to energy- and computation-constrained end-devices.

In this work, they propose a new gated recurrent unit neural network solution for AMC that has been specifically designed for resource-constrained IoT devices.


The proposed GRU network model for AMC.

They trained and tested their solution with over-the-air measurements of real radio signals, which were acquired with the MIGOU platform.


Dataset generation scenario set up.


Comparison of signals recorded at (a) 1 and (b) 6 meters. The signals in the bottom row are the normalized version of those in the top row.

Their results show that the proposed solution has a memory footprint of 73.5 kBytes, 51.74% less than the reference model, and achieves a classification accuracy of 92.4%.

Increasing the training set can lead to improvements in the performance of a model without increasing its complexity. These improvements allow developers to reduce the complexity of the model and, therefore, the device resources it requires. However, longer training processes can lead to fitting and gradient problems. These tradeoffs should be explored when developing neural network-based solutions for resource-constrained end-devices.

Applied Science: Special Issue “Wireless Sensor Networks: Technologies, Applications, Prospects”

The main objective of this Special Issue is to provide a common space for WSNs researchers to share their high quality research and outcomes, and disseminate them to the rest of the world. The topics include novel designs,
developments, and management of smart systems with a focus on new applications. In addition to these, notable advancements in the performance of WSN are welcome.

A Methodology for Choosing Time Synchronization Strategies for Wireless IoT Networks

This summer we have published a new article about time synchronization for wireless sensor networks, applied to the field of IoT, in Sensors Open Access Journal. This journal has these statistics:

  • 2018 Impact Factor: 3.031
  • 5-year Impact Factor: 3.302
  • JCR category rank: 15/61 (Q1) in ‘Instruments & Instrumentation’

This article belongs to the Special Issue Topology Control and Protocols in Sensor Network and IoT Applications.

This article has a direct relationship with the thesis of our colleague Francisco Tirado-Andrés. This thesis investigates a methodology, and associated tools, to make it easier for all researchers to choose time synchronization protocols for specific WSNs.

For more information about this article please visit MDPI webpage.

Jornadas sobre Ciberinteligencia

En las Jornadas sobre Ciberinteligencia organizadas por la Guardia Civil y el Instituto Universitario de Investigación sobre Seguridad Interior que tuvieron lugar el 16 y 17 de Octubre participamos en la mesa redonda “El potencial de los algoritmos para el desarrollo de herramientas de ciberinteligencia” con la ponencia “IoT en Ciberinteligencia”.

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B105 IoT en Ciberinteligencia

VIII Reunión del Foro de Interoperabilidad en Salud

Los pasados 9 y 10 de Mayo tuvo lugar en A Coruña la VIII Reunión del Foro de Interoperabilidad en Salud organizado por la Sociedad Española de Informática de la Salud sobre el tema Interoperabilidad, Internet de las cosas y Salud Integrada en la que el B105 Electronic Systems Lab participó en la sesión Innovación e Investigación con la ponencia Retos y oportunidades de IoT en el campo de la salud bajo un punto de vista tecnológico.

En esta ponencia se pasa revista a las tecnologías que está desarrollando el Grupo de Investigación B105 Electronic Systems Lab de la Universidad Politécnica de Madrid en el campo de sistemas empotrados, radio cognitiva y nubes de sensores aplicados al campo de la salud.

En enfoque realizado se basa en dos pilares, la investigación, entendida como la inversión de dinero para obtener conocimiento y la innovación, entendida como la aplicación de ese conocimiento para obtener fondos con los que financiar la investigación. Esta estructura permite la definición de un círculo virtuoso en el que la investigación se financia en base a la innovación y la innovación utiliza el conocimiento de la investigación.

Las tecnologías tratadas son las siguientes:

  • Sensores, tanto directos (electrodos y sensores biométricos) como indirectos (temperatura, humedad y temperatura, inclinómetros y magnetómetros, acelerómetros, posición, etc.) en el campo de la innovación. Tanto en innovación como en investigación se pasa revista a la creación de sensores virtuales mediante la fusión de sensores reales con parámetros tales como espacio, tiempo, confianza, reputación, etc.
  • Medio de comunicación, se exponen algunas de las tecnologías en las que se está investigando, como redes neuronales inalámbricas y redes cuerpo humano versus redes aire.
  • Actuadores, principalmente mencionando los trabajos tanto en investigación como innovación en el campo de la estimulación nerviosa eléctrica transcutánea como interfaz electrotáctil y su posible aplicación al tacto remoto.

Finalmente, se pasa revista a un conjunto de aplicaciones de ejemplo desarrolladas bajo el modelo de innovación como un sistema de detección de fatiga de conductores mediante cámara, otro mediante monitorización del EEG con técnicas de machine learning, un detector de barreras arquitectónicas basado en realidad aumentada o una pulsera inteligente con su aplicación al móvil asociado para monitorizar las condiciones de vida de personas necesidades especiales.

Puesto de mando inalámbrico en el nivel Brigada diseñado utilizando metodologías “Human-Centered Design”

El pasado jueves 23 de Noviembre el GB Conde de Arjona y Octavio Nieto-Taladriz presentamos la ponencia “Puesto de mando inalámbrico en el nivel Brigada diseñado utilizando metodologías “Human-Centered Design” en el V Congreso Nacional de I+D en Defensa y Seguridad que tuvo lugar en la Academia de Infantería de Toledo.

TRÍPTICO DESEi+d2017

RESUMEN

El Puesto de Mando de una Brigada (PCBRI) puede tener entre 20 y 30 puestos de trabajo. Cada uno de los cuales consta de un ordenador terminal de Sistema de Información para el Mando y Control del Ejército de Tierra (SIMACET) y un terminal de telefonía. Esto supone, en función del LAY-OUT de PCBRI, entre 3 y 5 kms de cable de señal.

Cada vez que se mueve el PCBRI hay que recoger y volver a tender todo ese material. Más allá del trabajo que esto supone y del personal y material necesario para hacerlo posible, el verdadero problema reside en el tiempo de retardo que se genera para continuar con el Mando y Control de las operaciones, así como la fiabilidad de las conexiones.

En la búsqueda de soluciones para esta situación se consideró adecuado aplicar la metodología “Human-Centered Design” a este escenario. Para ello la Brigada Guadarrama XII formó un equipo de trabajo asociándose con el grupo de investigación “B105 Electronic Systems Lab” (Universidad Politécnica de Madrid), el Colegio Universitario de la Defensa (Zaragoza), Teldat y la Escuela Politécnica Superior del Ejército de Tierra. Dicho grupo de trabajo ha desarrollado un prototipo que posibilita el trabajo sin cables en el interior del PCBRI.

El resultado de este proyecto aporta una valiosísima experiencia en el uso de estas metodologías que ya se vienen aplicando exitosamente en otros ejércitos de nuestro entorno, y además ha generado un interesante prototipo diseñado sobre las siguientes ideas:

  • Sistema fantasma inalámbrico de voz sobre IP (VoIP) con centralita inteligente montado sobre la estación NAVARRA.
  • Sistema fantasma inalámbrico montado sobre la red SIMACET.
  • Escudo electromagnético que cubre el PCBRI tanto para ataques como escuchas.
  • Está en estudio un sistema de alertadores y localizadores de fuentes frente a ataques electromagnéticos.

PRESENTACION

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Congreso EWSN 2017 en Upsala

Del 20 al 22 de febrero tuvo lugar en Upsala (Suecia) la International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN 2017), uno de los eventos europeos de mayor relevancia en redes de sensores. Este año, la conferencia estaba especialmente enfocada a la fiabilidad de este tipo de redes y sistemas, organizándose incluso una competición en torno a esta temática. Además, hubo dos workshops de temática más específica, NextMote: Next Generation Platforms for the Cyber-Physical Internet y MadCom: New Wireless Communication Paradigms for the Internet of ThingsPor último, se realizó también una sesión de posters y demos en la que se presentaron trabajos e ideas interesantes.

Como representación del B105 asistieron a esta conferencia los miembros Alvaro Araujo y Ramiro Utrilla, presentando este último en el Workshop NextMote su trabajo A hybrid approach to enhance cognitive wireless sensor networks with energy-efficient software-defined radio capabilities“, enmarcado dentro de su tesis y cuyos co-autores han sido Alba Rozas, Javier Blesa y Alvaro Araujo. La asistencia a este evento ha sido una gran oportunidad para conocer trabajos de muchas universidades del mundo, así como para recibir realimentación sobre la investigación que realizamos en el grupo.

Merece la pena destacar que el año que viene esta conferencia tendrá lugar en la Universidad Carlos III de Madrid, lo que será una gran oportunidad para fomentar la participación de más estudiantes y miembros del B105.

Por último, además de la experiencia de asistir a un evento de estas características, el viaje nos permitió visitar a antiguos miembros del B105 y disfrutar de unos días en un país magnífico como es Suecia, que nos sorprendió con una calurosa bienvenida en el aeropuerto.

Artículo aceptado en la EWSN 2017

Los días 20, 21 y 22 de febrero de 2017 se celebrará en Upsala (Suecia) la Conferencia Internacional Embedded Wireless Systems and Networks (EWSN 2017).  En ella, el miembro del B105 Ramiro Utrilla presentará su artículo “A hybrid approach to enhance cognitive wireless sensor networks with energy-efficient software-defined radio capabilities“. En concreto, este trabajo, enmarcado dentro de su tesis y cuyos co-autores han sido Alba Rozas, Javier Blesa y Alvaro Araujo, ha sido aceptado en el Workshop Next Generation Platforms for the Cyber-Physical Internet (NextMote).

En primer lugar, el artículo propone una metodología híbrida de operación para redes inalámbricas de sensores cognitivas (CWSN) que consiste en que los nodos de dicha red exploten la tecnología de radio definida por software (SDR) para llevar a cabo aquellas acciones que estrictamente requieren su alta flexibilidad, empleando transceptores tradicionales de función específica, que demandan menos recursos del nodo, para las tareas restantes. A continuación, se presenta la arquitectura y los principales componentes electrónicos de una plataforma capaz de operar según esta metodología. Esta solución constituye una reducción significativa del consumo de energía en comparación con los sistemas SDR de bajo consumo existentes, manteniendo al mismo tiempo la funcionalidad necesaria para la investigación en CWSNs.

Esperamos que nuestro trabajo sea de interés para la comunidad y que la asistencia al congreso sea una gran experiencia de la que traernos nuevas ideas y contactos de interés para el grupo.

“A security scheme for wireless sensor networks” aceptado en el Globecom 16

Como ya os comentamos hace unos días la visita de nuestro compañero Hacene Fouchal fue muy productiva. Una de las actividades que realizamos fue un artículo para el congreso Globecom’16 y por el gran trabajo realizado, el artículo ha sido aceptado.

El artículo propone un nuevo sistema de seguridad para redes de sensores inalámbricas (WSNs) que asegura la autenticación de los nodos aunque no tengan acceso a una autoridad de certificados. EL congreso se celebrará del 4 al 8 de Diciembre en Washington. Esperemos que sea una gran experiencia para Hacene.

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A WSN-Based Intrusion Alarm System to Improve Safety in Road Work Zones

Title: A WSN-Based Intrusion Alarm System to Improve Safety in Road Work Zones
Authors: Jose Martin, Alba Rozas, and Alvaro Araujo
Published in: Journal of Sensors
Date of Publication: Jun 2016
Digital Object Identifier : 10.1155/2016/7048141
Web: https://www.hindawi.com/journals/js/2016/7048141/

Road traffic accidents are one of the main causes of death and disability worldwide. Workers responsible for maintaining and repairing roadways are especially prone to suffer these events, given their exceptional exposure to traffic. Since these actuations usually coexist with regular traffic, an errant driver can easily intrude the work area and provoke a collision. Some authors have proposed mechanisms aimed at detecting breaches in the work zone perimeter and alerting workers, which are collectively called intrusion alarm systems. However, they have several limitations and have not yet fulfilled the necessities of these scenarios. In this paper, we propose a new intrusion alarm system based on a Wireless Sensor Network (WSN). Our system is comprised of two main elements: vehicle detectors that form a virtual barrier and detect perimeter breaches by means of an ultrasonic beam and individual warning devices that transmit alerts to the workers. All these elements have a wireless communication interface and form a network that covers the whole work area. This network is in charge of transmitting and routing the alarms and coordinates the behavior of the system. We have tested our solution under real conditions with satisfactory results.