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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Com a adoção generalizada de dispositivos de Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), torna-se necessário o desenvolvimento de novas abordagens para ajudar a reduzir os efeitos de colisões no desempenho de redes baseadas na modulação LoRa, e, mais especificamente, em LoRaWAN. Tendo esse objetivo em vista, neste trabalho investiga-se o desempenho de um esquema fundamentado no conceito de cooperação e codificação de rede (NCC, do inglês Network Coded Cooperation) que se denomina NCC-LoRa. Nele, dispositivos trocam mensagens entre si em uma etapa dispositivo a dispositivo (D2D, do inglês Device to Device) por meio da modulação chaveamento de mudança de frequência (FSK, do inglês Frequency-Shift Keying) à alta taxa de transmissão de bits. Os dispositivos podem, então, auxiliar-se mutuamente para melhorar a confiabilidade da comunicação com a ponte de ligação (GW, do inglês GateWay) comum através da combinação linear em um campo finito das mensagens de cada parceiro de cooperação. Modela-se a probabilidade de sucesso na comunicação D2D a partir de duas componentes: a probabilidade de efetiva transmissão de dados, que computa falhas advindas da troca de dados, e a probabilidade de vizinhança, que depende de fatores associados à topologia da rede. Verifica-se, então, o desempenho da rede com o protocolo NCC-LoRa sob as métricas de alcance da rede e consumo médio de corrente elétrica por ciclo de transmissão. O resultados apontam que o esquema proposto pode fornecer ganhos consideráveis nesses quesitos quando comparado com uma típica transmissão LoRa e com um esquema baseado em retransmissão de pacotes. With the widespread adoption of Internet-of-Things (IoT) devices, new approaches to help countervene the effects of collisions in networks based on the LoRa modulation, and more specifically on LoRaWAN, are needed. With this objective in mind, this work investigates the performance of a scheme based on the concept of network coded cooperation (NCC) called NCC-LoRa. In it, devices exchange messages with each other in a Device to Device (D2D) fashion through Frequency Shift Keying (FSK) modulation under a high bit rate. The devices can then provide mutual assistance and improve communication reliability with the common GateWay (GW) by performing linear combinations over a finite field of the messages from each cooperating partner. The probability of success in the D2D communication is modeled from two components: the probability of effective data transmission, which computes failures arising from data exchange, and the neighborhood probability, which depends on factors associated with the network topology. Then, the performance of the network with NCC-LoRa is verified on the metrics of network range and average consumption of electric current per transmission cycle. The attained results show that the proposed scheme can provide considerable gains in these terms when compared to a typical LoRa transmission and to a scheme based on packet retransmission.

Neste trabalho, avalia-se a eficiência energética de um esquema cooperativo recentemente proposto com seleção de múltiplos relays, em um cenário com múltiplas fontes e apenas um Destino em comum. Por considerar que todos os nós e também o Destino são equipados com múltiplas antenas, compara-se a eficiência energética de uma rede operando sob dois esquemas de recepção, a combinação de seleção, do inglês Selection Combining (SC), e a combinação de razão máxima, do inglês Maximal Ratio Combining (MRC). A análise realizada, a qual engloba os consumos dos circuitos internos dos nós da rede, demonstra que o esquema MRC, o qual é ótimo a partir de uma perspectiva de confiabilidade, pode ser superado em termos de desempenho pela SC em relação à eficiência energética. Também é apresentada uma investigação sobre o número de relays que deve ser utilizado na otimização da Eficiência Energética, propõe-se uma melhoria no sistema com o intuito de aumentar a eficiência da rede, a seleção incremental de múltiplos relays (INC-MRS). Finalmente, os resultados numéricos são apresentados a fim de validar as análises matemáticas. In this work, we evaluate the energy efficiency of a recently proposed network-coded cooperative scheme with multiple relay selection, in a scenario with multiple sources and a single common destination. By considering that all the nodes and also the destination are equipped with multiple antennas, we compare the EE of the network when operating under two different combination techniques at the receiver side, namely selection combining (SC) and maximum ratio combining (MRC) techniques. Our analysis, which also encompasses the circuitry consumption of all the nodes in the network, shows that the MRC scheme, which is optimal from a reliability perspective, may be outperformed by the SC scheme when the EE is adopted as the performance metric. Based on insights about the number of relays that must be used to optimize EE, an improvement in the system is proposed in order to raise network energetic efficiency, the incremental multiple relay selection (INC-MRS). Finally, numerical results are presented in order to support all the mathematical analyses.

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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Esse trabalho propõe a codificação analógica conjunta fonte-canal como uma opção para comunicações do tipo-máquina que exigem comunicação com baixo atraso. A codificação analógica se baseia em mapear os símbolos gerados pela fonte de informação em uma curva. A curva de mapeamento pode ser definida como mapeamentos geométricos ou por meio de otimizações numéricas, denotadas por codificação paramétrica e não-paramétrica, respectivamente. Neste trabalho, foram implementados os dois tipos de codificação para conjuntos de amostras não-Gaussianos coletados por sensores. Tendo em vista que o esquema paramétrico é ótimo apenas para fonte Gaussiana, foi utilizada a transformação de Box-Cox para melhorar o desempenho. Por sua vez, o esquema não-paramétrico se adapta com mais facilidade a diferentes conjuntos de amostras, porém, tem uma implementação mais complexa. Por meio dos resultados numéricos, comprovou-se que o esquema não-paramétrico tem o melhor desempenho, em geral. Além disso, pode-se observar que a transformação de Box-Cox é uma técnicas simples que melhora a performance do esquema paramétrico. Aliás, para determinados valores de relação sinal-ruído do canal o desempenho do paramétrico é similar, o que justifica a sua escolha devido à menor complexidade. This work proposes an analog joint source-channel coding scheme as an alternative for machine-type communications that require low communications delay. The analog coding scheme is based on mapping the symbols generated by an information source into a curve. The mapping curve can be defined by geometric mappings or by numerical optimizations, denoted by parametric and non-parametric coding, respectively. In this work, we have implemented these two types of coding for the non-Gaussians sets of samples collected by sensors. Considering that the parametric scheme is optimal for Gaussian sources only, the Box-Cox transformation has been used to improve the performance. On the other hand, the non-parametric scheme can easily adapt to different sample sets, at the cost of more complex implementation. The numerical results show that the non-parametric scheme achieves better performance, in general. Also, we can observe that Box-Cox transformation is a simple technique that improves significantly the performance of the parametric scheme. Moreover, for certain values of the channel signal-to-noise ratio, the performance of the parametric scheme is similar, which justifies its choice due to the lower complexity.