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Orientador: Prof. Dr. Eduardo Parente Ribeiro Coorientador: Prof. Dr. Alberto García-Martínez Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 19/03/2020 Inclui referências: p. 65-69 Área de concentração: Telecomunicações Resumo: O problema de balanceamento de tráfego entre múltiplos caminhos tem recebido uma considerável atenção junto com os conceitos de Redes Definidas por Software - SDN (do inglês, Software Defined Network) que permite um controle centralizado para a tomada de decisões. Isto é obtido através do uso de algoritmos que utilizam a informação de fluxos disponíveis e a capacidade de caminhos para que se possa alcançar um uso eficiente dos recursos da rede, enlaces e switches. Entretanto, os esforços destes trabalhos, em geral, são mais adequados para redes internas onde as informações da rede, como demanda e capacidade dos recursos, estão mais facilmente disponíveis. No que diz respeito ao roteamento interdomínio, há uma maior dificuldade em obter as informações de capacidade disponível nos caminhos da Internet e a demanda dos fluxos de dados. Além disso, há um obstáculo em tornar uma solução compatível com os diversos Sistemas Autônomos - AS que compõem a Internet e, assim, permitir uma melhor distribuição do tráfego na rede. Esta tese propõe uma solução que permite aos sistemas autônomos realizarem o balanceamento adaptativo de tráfego de saída, procurando redistribuir o tráfego entre múltiplas rotas interdomínios, de acordo com uma medição passiva de desempenho dos caminhos disponíveis. A solução proposta baseia-se em uma arquitetura BGP-SDN que permite uma melhor utilização das rotas disponíveis de um provedor de serviço de Internet - ISP (do inglês, Internet Service Provider) que necessite distribuir grandes conteúdos de dados. A medição da capacidade disponível em cada caminho para qualquer prefixo de destino é realizada utilizando fluxos ativos e a realocação é realizada para grandes fluxos, de modo que cada caminho tenha uma quantidade de fluxos proporcional à sua capacidade. Esta estratégia reduz o tempo médio de conclusão dos fluxos em relação às técnicas de balanceamento de carga de estado da arte utilizadas pelos provedores de Internet, tais como Equal Cost Multipath - ECMP e o uso de um único caminho. Para permitir uma comparação analítica com outras técnicas, foi criado um modelo matemático para calcular o tempo médio de conclusão dos fluxos. Este modelo foi utilizado para comparar a solução proposta com o uso de ECMP e do uso do caminho único mais rápido. Em seguida, foi realizada uma análise dos traços de tráfego de dois provedores de conteúdo para demonstrar as inúmeras vantagens que os fluxos de tráfego reais poderiam se beneficiar com a solução proposta. Além disso, foi realizada uma experiência com troca de tráfego na Internet para mostrar que a solução proposta ainda pode proporcionar uma grande vantagem em comparação com o estado das implementações, mesmo na presença de tráfego de fundo interferente. Um simulador de eventos discretos utilizando as informações dos fluxos reais foi utilizado para avaliar os ganhos da solução proposta através de prefixos com diferentes números de fluxos, e fluxos com tamanhos e tempos de chegada distintos. Os resultados observados mostram que a solução proposta pode reduzir pela metade o tempo médio de conclusão dos fluxos em relação ao ECMP, quando a capacidade dos caminhos diferem por um fator de 3, ou a um sexto quando as capacidades diferem por um fator de 10. Ainda, os recursos necessários para alcançar esses desempenhos, em termos de número de entradas de fluxo em switches SDN, ou o número de requisições de alteração de entrada, estão dentro das limitações de hardware atuais. Palavras-chave: BGP, SDN, balanceamento de tráfego, multicaminhos, otimização Abstract: The problem of multiple path load balancing has received considerable attention along with the concepts of Software Defined Networks - SDN which allows centralized control for taking networking decisions. This is achieved by the use of algorithms that use the available flows information and path capacity so that an efficient use of network resources i.e. links and switches can be achieved. However, the efforts of these works in general are best suited to internal networks where the network information i.e. demand and capacity of the resources is more usually available. As far as interdomain routing is concerned, there is a greater difficulty in obtaining the prevalent network demand for dataflows and the available capacity information in Internet paths. In addition, there is an obstacle in making a solution compatible with the several Autonomous Systems - AS that compose the Internet and thus allow a better traffic distribution. This thesis proposes a solution to enable autonomous systems to perform adaptive load balancing of egress flows by seeking to redistribute the traffic between multiple interdomain routes according to a passive performance measurement of the available paths. The proposed solution is based on a BGP-SDN Architecture that enables a better use of routes which can be used by an Internet Service Provider - ISP seeking to distribute large data contents. The measurement of available capacity on each path to any destination prefix is performed using active flows and the reallocation is performed for large flows, so that each path has a quantity of flows proportional to its capacity. This strategy reduces the average time to flow completion compared to state-of-art load balancing techniques used by Internet providers such as Equal Cost Multipath - ECMP. To allow an analytical comparison with other techniques, a mathematical model was created to calculate the mean flow completion time. This model was used in order to compare the proposed solution with the state of the art ECMP and the use of the fastest single path. Next, an analysis of the traffic traces of two content providers was performed to demonstrate the numerous advantages that real-world traffic flows could benefit from the proposed solution. In addition, an experiment was carried out with Internet traffic exchange to show that the proposed solution could still provide enormous gains compared to the state of the implementations even in the presence of interfering background traffic. A discrete event simulator using the actual flow information captured was used to evaluate the proposed solution gains through prefixes with different flow numbers, and flows with different sizes and arrival times. The observed results show that the proposed solution can reduce the mean time of flow completion compared to ECMP by half, when the capacity of the path rates differ in a factor of 3, or to one sixth when path rates differ in a factor of 10. Moreover, the resources required to achieve these performances, in terms of the number of per-flow entries on SDN switches, and the the maximum entry change requests are within current hardware limitations. Keywords: BGP, SDN, load balance, multiple paths, optimization

Orientador: Prof. Dr. Eduardo Parente Ribeiro Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 13/12/2019 Inclui referências: p. 50-54 Resumo: Sistemas de controle via rede apresentam uma plataforma atraente em comparação com os sistemas de controle digital convencionais, mas inerentemente apresentam problemas adicionais devido a perda de pacotes. Esta dissertação descreve uma análise de soluções para perdas de medições por meio de estratégias de compensação, estimadores e técnicas de controle. Os compensadores analisados foram entrada zero, segurador de ordem zero, segurador ponderada, extrapolação linear/ cúbica e filtro de Kalman. Seis maneiras diferentes de se implementar o filtro de Kalman foram identificadas, quatro das quais foram implementadas. O desempenho das estratégias de compensação foi avaliado em simulações com diferentes taxas de perdas de pacotes para diferentes sistemas e períodos de amostragem. O filtro de Kalman também foi testado com perturbação estocástica no modelo do sistema para quantificar a precisão de identificação necessária para que o uso destes estimadores apresentassem ganho de desempenho em comparação com soluções mais simples como seguradores e extrapoladores. Além disso, um controlador nebuloso é comparado a um PID clássico em situação de perda de amostras. Por último, ambos os sinais, do sensor e do atuador são submetidos a perdas, e um sistema de controle chaveado é proposto com controladores locais e remotos. Palavras-chave: controle por rede, perda de pacotes, filtro de Kalman, controle nebuloso. Abstract: Networked control systems present an attractive platform compared to conventional digital control systems but inherently have additional problems due to packet dropouts. This paper describes an analysis of solutions to sensor measurements losses, in the form of a compensation strategy implemented in the controller that estimates the lost measurements. The analyzed compensators were zero input, hold input, weighted input, linear/cubic extrapolation and Kalman filter. Six different ways to implement Kalman filter were identified, and four of them were implemented. Performance of compensation strategies was evaluated in simulations of varying packet losses for different systems and sampling periods. Kalman filter was also tested with stochastic perturbation in the system model to quantify the required identification precision needed for estimators to be worth the design effort in comparison with simpler solutions like hold or extrapolators. Also, a fuzzy controller is compared to a classic PID in lossy scenarios. Finally, both sensor and signal are subjected to losses and a switched control system with local and remote controllers is proposed. Key-words: networked control, packet loss, compensation strategy, Kalman filter, fuzzy control.

Orientador: Eduardo Parente Ribeiro Coorientador: Luis Lolis Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 19/11/2018 Inclui referências: p. 62-64 Área de concentração: Telecomunicações Resumo: Esta dissertação traz uma análise de desempenho do Filter Bank Multicarrier (FBMC) e suas vantagens como uma técnica alternativa a ser adotada futuramente em tecnologia de quinta geração (5G), onde sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) de múltiplos usuários (MU) serão implementados. O estudo compara o desempenho entre Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), que é o principal modelo de multiplexação adotado em redes 4G, e o FBMC, que é considerado um dos mais fortes candidatos a substituir o OFDM em 5G. Essa comparação avalia a eficiência espectral (ES) na ligação ascendente (uplink) do sistema MIMO Massivo (MM) em um ambiente de célula única. A diversidade presente em MM permite uma auto-equalização do canal, da qual o FBMC se beneficia devido ao confinamento da subportadora em uma faixa atribuída. Devido à ausência do prefixo cíclico, o FBMC possui melhor ES que o OFDM conforme a relação sinal-ruído (SNR) é aumentada. Pode-se observar que há escassa literatura a contemplar a análise de FBMC em um cenário de MIMO multiusuário em larga escala, que considera um grande número de antenas na estação rádio base (ERB). Neste estudo, porém, cenários distintos são considerados ao se variar o número de antenas, usuários e diferentes raios de célula. Além disso, as modulações da subportadora são simuladas, não sendo consideradas como distribuições Gaussianas como na teoria dos limites de Shannon para capacidade do canal. Assim, as simulações mostram que em casos de elevado SNR percebido em uma configuração onde o número de antenas na ERB é fixo, o FBMC permite dobrar o raio da célula para um mesmo valor de ES dado em bits/s/Hz/usuário quando comparado ao OFDM. Já para o cenário onde o raio da célula permanece o mesmo, o OFDM chega a requerer até três vezes mais antenas que o FBMC quando ambas as modulações estão sob as mesmas condições, e o mesmo valor de ES é usado como parâmetro. Palavras-chave: MIMO, FBMC, mimo massivo, filter bank multicarrier, efficiência espectral, 5G. Abstract: This dissertation covers the potential of Filter Bank Multicarrier (FBMC) modulation as an alternative to be used in the future 5G wireless networks where Massive Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) will be deployed. The study compares orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with FBMC. The former is the multiplexing technique in 4G communications and the latter is one of the strongest candidates to replace OFDM in 5G networks. This comparison evaluates the spectral efficiency (SE) of a Massive MIMO (MM) system uplink under a single-cell environment. The diversity in MM permits a self-equalization of the channel, which the FBMC further benefits from, due to the confinement of the subcarrier in an assigned range. Due to the absence of the cyclic prefix, the FBMC has better SE than the OFDM for increasing signal-to-noise-ratio (SNR). One may find a scarce literature covering the FBMC in a large-scale multi user MIMO scenario, which considers a large number of antennas at the base station (BS). Various scenarios are considered by varying the number of antennas, users and different cell radius. Moreover, the subcarrier modulations are simulated, and not considered Gaussian distributed, as in Shannon limit theory of channel capacity. Thus, simulations show that in cases of high perceived SNR in a configuration where the number of antennas in the ERB is fixed, the FBMC allows the cell radius to be doubled to a given value of ES in [bits/s/Hz/user] when compared to OFDM. For the scenario where the radius of the cell is kept the same, OFDM requires up to three times more antennas than the FBMC when both modulations are under the same conditions, and the same ES value is used as a parameter. Keywords: MIMO, FBMC, massive mimo, filter bank multicarrier, spectral efficiency, 5G.