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Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.

Esta dissertação de mestrado apresenta um novo algoritmo de seleção de relays utilizando lógica fuzzy. O algoritmo proposto é distribuído, ao ser processado independentemente em cada nó dispensando a necessidade de uma entidade central, e multiobjetivo, visto que ele busca maximizar tanto o tempo de vida da rede como a vazão fim-a-fim. O novo método leva em conta o estado do canal instantâneo do canal relay-destino e a energia residual da bateria do nó. Como resultado, o algoritmo atribui um grau de relevância a cada candidato a relay, de forma que o nó com maior relevância é escolhido para retransmitir a mensagem proveniente da fonte. Os resultados mostram que um aumento considerável no tempo de vida de rede pode ser obtido sem comprometer a vazão fim-a-fim. In this master thesis we present a new relay selection algorithm using fuzzy logic. The proposed algorithm is distributed, runs independently at each node, not requiring a central entity for coordination, and is multi-objective, since it aims to maximize both network lifetime and end-to-end throughput. The new method takes into account the instantaneous channel state of the relay-destination link and the residual energy of the node battery. As a result, the algorithm assigns a degree of relevance to each relay, such that the with a higher relevance is chosen to forward the source message. Results show that a considerable increase in the network lifetime can be obtained without compromising the end-to-end throughput.

Os sistemas de controle via rede sem fio são parte integrante dos novos cenários de utilização considerados para a quinta geração de redes móveis (5G) que, além de superar as gerações anteriores em taxa de dados e capacidade, tem o objetivo de endereçá-los. Eles estão presentes em aplicações como a comunicação V2X e a Indústria 4.0, por exemplo, que utilizam controle em tempo real, o que implica em rigorosos requisitos de latência e confiabilidade da comunicação. Neste tipo de sistema, a forma mais comum de comunicação entre os dispositivos ocorre através de pacotes curtos, demandando um equacionamento específico para um projeto adequado. Ainda, controle e comunicação não podem ser considerados individualmente, pois existem variáveis que exercem influência sobre ambos concomitantemente. Os benefícios da concepção conjunta para atender aos seus requisitos de URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication) já foram demonstrados ao se melhorar o consumo e, ao mesmo, aumentar o tráfego de informação tempo através do uso de controle preditivo em pacotes. Este é um fator de suma importância, considerando que no contexto dos sistemas sem fio, é comum que os elementos sejam alimentados por baterias. O consumo é reduzido ainda mais quando HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) é aplicado, e uma retransmissão da mensagem é prevista em caso de outage. Neste trabalho, ambas as técnicas serão empregadas, levando em conta a comunicação via pacotes curtos, para a obtenção de um número ótimo de retransmissões e comandos de controle preditivo, buscando uma melhor eficiência energética. Os resultados mostraram que, através de uma escolha adequada destes parâmetros, é possível otimizar o consumo. Ainda, que dependendo das restrições de latência do sistema, o uso de controle preditivo em pacotes pode não ser interessante, sendo o HARQ isoladamente uma melhor alternativa. Wireless networked control systems are an integral part of the new usage scenarios considered for the fifth generation of mobile networks (5G) which, in addition to surpassing previous generations in data rate and capacity, aim to address them. They are present in applications such as V2X communication and Industry 4.0, for example, using realtime control, which implies strict latency and reliability requirements for communication. In this type of system, the most common form of communication between devices occurs through short packages, requiring specific mathematical models for an appropriate project. Additionally, control and communication cannot be considered individually, as there are variables that influence both concurrently. The co-design benefits for meeting the URLLC (Ultra-Reliable Low Latency Communication) requirements have already been demonstrated by improving resource utilization while increasing information traffic through the use of PPC (Packetized Predictive Control). This is an extremely important factor, considering that in the context of wireless systems, it is common for the elements to be powered by batteries. The consumption is further reduced when HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) is applied, and a retransmission of the message is provided in case of an outage event. In this work, both techniques are applied, whereas supporting short packets communication, to obtain an optimum number of retransmissions and predictive control commands, aiming for better energy efficiency. The results show that by performing an appropriate choice of these parameters, it is possible to optimize consumption. Also, depending on the latency restrictions of the system, the use of PPC may not be interesting, being HARQ alone a better alternative.

Os benefícios econômicos e ambientais da geração de energia elétrica pelo vento fizeram com que a energia eólica se tornasse uma das fontes mais promissoras para a geração de energia elétrica no Brasil. No entanto, a incerteza associada aos dados do vento, matéria-prima desta fonte de geração, geralmente não pode ser desprezada. Assim, os dados devem ser avaliados com precisão para reduzir efetivamente os riscos da geração eólica nas operações do sistema de energia, portanto motiva o desenvolvimento de técnicas de previsão que tiram proveito de medições quase em tempo real, coletadas de instrumentos distribuídos geograficamente. Nessa abordagem, são comparados métodos de previsão, baseados em redes neurais artificiais e modelos autorregressivos lineares visando o horizonte de curtíssimo prazo. Uma nova abordagem está sendo proposta neste trabalho, um modelo autorregressivo linear e uma rede neural artificial para a previsão probabilística da amplitude do vento no período de curtíssimo prazo. A abordagem do conjunto proposto foi extensivamente avaliada, usando dados reais de cinco estações anemométricas instaladas na região metropolitana de Curitiba. Os resultados demonstram que as incertezas nos dados do vento podem ser previstas de forma confiável e que um desempenho competitivo é obtido. The economic and environmental benefits of wind power generation made wind energy one of the most promising sources for electric power generation in Brazil. However, the uncertainty associated with wind data, the source of this generation, generally cannot be overlooked. Thus, the data must be accurately evaluated to effectively reduce the risks of wind generation in energy system operations, therefore it motivates the development of forecasting techniques that take advantage of measurements in almost real time, collected from geographically distributed instruments. In this approach, forecasting methods, based on artificial neural networks and linear autoregressive models are compared, aiming at the very short term horizon. A new approach is being proposed in this work, a linear autoregressive model and an artificial neural network for the probabilistic forecast of wind speed in the very short term. The proposed set approach was extensively evaluated, using real data from five anemometric stations installed in the metropolitan region of Curitiba. The results demonstrate that the uncertainties in the wind data can be reliably predicted and that a competitive performance is obtained.

Esta dissertação de mestrado apresenta a análise feita sobre o impacto da interferência gerada por uma rede LoRaWAN coexistindo no mesmo ambiente que uma rede IEEE 802.15.4g de interesse. As simulações comparam o modo de múltiplos saltos, restrito ao dual-hop nessa análise, com um algoritmo cooperativo, ambos utilizando seleção de relays. Pretende-se avaliar o desempenho desses protocolos, de maneira que seja possível transmitir uma grande quantidade de informações durante o tempo de vida útil da rede, sem prejudicar a taxa de comunicação e, dessa forma, dimensionar a rede para consumir o mínimo de recursos necessários. Além disso, foram explorados cenários com diferentes configurações para determinar os impactos causados pela interferência de acordo com a característica de cada rede. Os resultados mostram que a modificação do protocolo de comunicação IEEE 802.15.4g visando suportar cooperação, especialmente em ambientes que sofrem interferências de outras redes, chega a transmitir de 4 a 20 vezes mais informação, para os parâmetros de rede aqui considerados, quando comparado com o método tradicional usando o modo dual-hop. Isso também permite que seja possível distribuir uma quantidade pelo menos 150 vezes menor de nós cooperativos para atingir o mesmo objetivo de quantidade de informação, o que implica em menos investimento em hardware. This master’s thesis presents the analysis made on the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. This work analyses the impact of the interference generated by a LoRaWAN network coexisting in the same environment of an IEEE 802.15.4g network of interest. The simulations compare the multi-hop mode, restricted to dual-hop in this analysis, with a cooperative algorithm, both using relay selection. It is intended to evaluate the performance of these protocols, só that it is possible to transmit a large amount of information during the lifetime of the network, without impairing the communication rate and, thus, dimensioning the network to consume the minimum of necessary resources. The results show that the modification of the IEEE 802.15.4g communication protocol in order to support cooperation, especially in environments that are affected by interference from other networks, transmits from 4 to 20 times more information, with the system parameters here considered, when comparing to the traditional method using the dual-hop mode. This also allows it to be possible to distribute at least 150 times fewer cooperative nodes to achieve the same amount of information objective, which means less hardware investment.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Neste trabalho, nos concentramos na eficiência energética em redes de comunicação sem fio, especialmente comparando as vantagens da técnica de seleção de antenas (AS, Antenna selection) com outras técnicas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, Multipleinput multiple-output). Portanto, discutimos dois cenários modernos de rede: primeiro consideramos a implantação estações rádio base de pequeno porte (SBS, Small base stations) e, em seguida, uma implantação de rede de dispositivo-a-dispositivo (D2D, Device-to-device). No cenário de SBS, analisamos a eficiência energética por área (AEE, Area energy efficiency) para as técnicas de seleção de antenas (AS), máxima razão na transmissão (MRT, Maximal ratio transmission) e multiplexação espacial (SM, Spatial multiplexing). Também empregamos diferentes níveis de atenuação de interferência e um modelo realista de consumo de energia. A partir desse cenário apresentamos a representação matemática e nossos resultados mostram que o AS tem maior AEE que as outras técnicas quando a demanda por capacidade do sistema é baixa, enquanto o SM se torna mais eficiente energeticamente quando a capacidade demandada é maior. No entanto, observamos que o AS tem mais eficiência energética por área para distâncias curtas, isso se deve à menor energia consumida pela cadeia de RF (RF, Radio Frequency) em todos os nós. Ainda, podemos concluir que o desempenho do sistema com pequenas SBS, em termos de AEE, é fortemente dependente da quantidade de interferência, que ao mesmo tempo depende do modelo de consumo de energia. Ademais, no cenário de comunicação D2D examinamos a técnica AS em comparação com a técnica MRT. Além disso, também assumimos que os nós D2D estão distribuídos de acordo com um processo de Poisson homogêneo (PPP, Poisson point process), os quais interferem uns com os outros. Em outras palavras, eles compartilham o mesmo espectro e empregam um número limitado de bits de feedback. Assim, os resultados numéricos mostram que a técnica de MRT possui maior eficiência espectral que o AS para um mesmo número de nós interferentes em uma determinada área. Por outro lado, a distância do par D2D tem um impacto maior no aumento da eficiência energética da área para a rede. Além disso, para curtas distâncias o esquema AS tem melhor desempenho em comparação ao MRT, mesmo quando esse último emprega um número maior de bits de feedback. É notavel o melhor desempenho do AS em comparação ao MRT para distâncias curtas quando o número de antenas de transmissão aumenta, ou seja, apesar de proporcionar maior taxa de dados, o aumento do número de antenas no MRT não compromete consideravelmente sua eficiência energética. In this work we focus on the energy efficiency in wireless communication networks, especially comparing the advantages of the antenna selection (AS) technique among other multiple-input multiple-output (MIMO) techniques. Therefore, we discuss two different network scenarios: first considering a small base stations (SBS) deployment, and then a device-to-device (D2D) network deployment. In the small SBS scenario we analyze the area energy efficiency (AEE) for antenna selection (AS), maximal ratio transmission (MRT) and spatial multiplexing (SM) techniques. We also employ different interference cancellation levels and a realistic power consumption model. We derive the mathematical representation and our results show that AS has a larger AEE among the other techniques when the demand for system capacity is low, while SM becomes more energy efficient when the demanded capacity is larger. However we observe that AS has more AEE for short distances, which is due to the lower energy consumed by the Radio Frequency (RF) chains in every node. Yet, we can conclude that the system performance with small SBS, in terms of AEE, is strongly dependent on the amount of interference, which at the same time depends on the power consumption model. In addition, our second scenario is the D2D communication network, where we examine the AS technique in comparison with MRT. Furthermore, we also assume that the D2D nodes are distributed according to a homogeneous Poisson process (PPP), which interfere with each other, i.e., share the same spectrum, and they employ a limited number of feedback bits. Therefore, in the numerical result we also observe MRT technique is more spectral efficient than AS regardless of the number of interfering nodes in the area. On the other hand, the distance of the D2D pair has a larger impact in increasing the AEE of the network, with AS outperforming MRT even when the latter employs a larger number of feedback bits. It is also noteworthy the performance of AS in comparison to MRT for short distances when the number of transmit antennas increases, i.e., despite providing higher data rate, measured in terms of the spectral efficiency, the increased number of antennas for MRT does not considerably compromises its energy efficiency.

O padrão IEEE 802.15.4-2015 define novos protocolos para a camada de acesso ao meio (MAC, do inglês Medium Access Control) com foco em redes de comunicação sem fio com baixo consumo de energia, o que é desejável para dispositivos de Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things) que apresentam restrições energéticas. Originalmente definido na emenda IEEE 802.15.4e, o esquema de Salto de Canais por Intervalo de Tempo (TSCH, do inglês Time Slotted Channel Hopping) tem atraído atenção da comunidade científica devido ao nível reduzido de contenção (agendamento no tempo) e robustez (salto de canais). Entretanto, para operar corretamente o TSCH necessita de um determinado nível de sincronização entre os nós da rede, o que pode levar a um maior consumo de energia. Um mecanismo de tempo de guarda é implementado para assegurar que os nós irão “ouvir” os pacotes ainda que não estejam perfeitamente sincronizados. Neste trabalho, implementa-se a estratégia de Guard Beacon visando reduzir o tempo de guarda necessário, e se apresenta um modelo de consumo de energia realista para redes operando com TSCH e Sistema Operacional Contiki. Os resultados analíticos têm boa precisão quando comparados com os resultados obtidos de uma rede TSCH real através da ferramenta Powertrace do Contiki e demonstram que o esquema proposto pode reduzir o consumo de energia geral de cada nó em até 13,05%. The IEEE 802.15.4-2015 standard defines a number of Medium Access Control (MAC) layer protocols for low power wireless communications, which is desirable for constrained Internet of Things (IoT) devices. Originally defined in IEEE 802.15.4e amendment, the Time Slotted Channel Hopping (TSCH) is recently attracting the attention from the research community, due to its reduced contention (time scheduling) and robustness (channel hopping). However, the TSCH needs a certain level of synchronization between the nodes, which can lead to a higher energy consumption. A guard time mechanism is implemented to ensure that the nodes will hear the frames even if they are not perfectly synchronized. In this work, we implement the Guard Beacon strategy, aiming to reduce the guard time, and present a realistic energy consumption model for a Contiki OS-based TSCH networks. The analytical values have a good match with the results obtained from the Contiki Powertrace Tool running on a real TSCH network and demonstrate that the proposed scheme can reduce the overall power consumption of each node by 13.05%.

Neste trabalho, é proposta a utilização de uma versão aprimorada da taxa efetiva de transmissão segura (EST, do inglês Effective Secrecy Throughput) recentemente proposta na literatura como métrica de desempenho, a qual, além de levar em consideração a taxa de transmissão e a probabilidade de sigilo no receptor (Bob), também limita a probabilidade de que informações vazem para o espião (Eve). Desta forma, o modelo proposto limita, dentre todas as informações enviadas pelo transmissor (Alice), a quantidade máxima que poderá ser obtida por Eve. A nova métrica é chamada de taxa efetiva de transmissão segura com restrições de sigilo. Além de propor esta nova métrica de desempenho, é avaliado qual o impacto no desempenho do sistema quando consideradas transmissões em radiofrequência (RF, do inglês Radio Frequency) e transmissões ópticas em espaço livre (FSO, do inglês Free-Space Optical), em um cenário MIMOME (do inglês Multipleinput Multiple-output Multi-antenna Eavesdropper) que leva em consideração múltiplas antenas (ou aberturas) em Alice e Bob. Para o cenário FSO, é demonstrado como o uso de relays pode aumentar a EST do sistema. Resultados numéricos são então obtidos para verificar as expressões analíticas, demonstrando a influência no desempenho do sistema ao se limitar a quantidade máxima de informações que podem ser obtidas por Eve. In this work, an improvement in the recently proposed performance metric effective secrecy throughput (EST) is presented, which, more than taking into account the secrecy rate and the secrecy outage probability, also limits the outage probability of the eavesdropper (Eve). Thus, the proposed scheme limits the maximum amount of information that Eve might be able to obtain of all the information sent by Alice. Under this new metric, referred to as EST with eavesdropper outage constraints, the impact on the system performance when considering a multiple-input multiple-output multiple-antenna eavesdropper (MIMOME) radio frequency and free-space optical (FSO) scenarios are evaluated. For the FSO scenario, it is also shown how the use of relays can increase the EST. Numerical results are performed to validate the analytical expressions, demonstrating the influence of limiting the maximum amount of information that might be obtained by Eve.