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Neste trabalho, considera-se uma rede sem fio cooperativa em que múltiplas fontes com restrições energéticas cooperam para transmitir informações independentes a um destino comum. Assume-se também que toda a energia disponível nas fontes é captada a partir de transmissões de radiofrequência realizadas pelo destino (o qual é considerado não possuir restrições de energia), sendo dependente das condições instantâneas do canal. Dessa forma, estabelece-se um protocolo de comutação temporal em que em parte do tempo as fontes são carregadas pelo destino, e no restante do tempo transmitem as suas informações. Utilizando-se a probabilidade de outage comométrica de desempenho, analisa-se o desempenho de alguns protocolos cooperativos com transferência sem fio de energia, a saber: decodifica-e-encaminha(EDF), cooperação por codificação de rede (ENC) e cooperação por codificação de rede generalizada (EGNC). Expressões fechadas são desenvolvidas para calcular a probabilidade de outage dos protocolos cooperativos descritos acima, assim como o tempo de carregamento ótimo para minimizar a referida probabilidade e a máxima taxa alcançável para uma probabilidade de outage alvo, mostrando que o protocolo EGNC apresenta o melhor desempenho dentre os protocolos cooperativos considerados e que a transmissão direta (sem cooperação). Simulações numéricas são realizadas para se comprovar a precisão das expressões desenvolvidas e finalmente se enumeram sugestões para a continuação do trabalho. In this work, we consider a multiuser cooperative wireless network where multiple energy-constrained sources have independent information to transmit to a common destination. The destination, which is assumed to be externally powered, is responsible for transferring energy wirelessly to the sources. The total amount of harvested energy is a function of instantaneous channel conditions. In this scenario, a time-switching protocol is developed where in a fraction of time the sources harvest energy and then use this energy to transmit information. Using the outage probability as a metric, we evaluate the performance of some energy transfer cooperative protocols, namely: energy transfer decode-and-forward (EDF), energy transfer network coding cooperation (ENC) and energy transfer generalized network coding cooperation (EGNC). We obtain a closed-form approximation for the system outage probability, as well as an approximation for the optimal energy transfer period that minimizes such outage probability showing that EGNC protocol presents the best performance among the considered protocols and when compared with the direct transmission. Numerical results are also presented to validate the theoretical results. Finally, suggestions about future works are presented.

A dissertação apresentada utiliza a representação de treliça mínima e seccionada para a decodificação de códigos turbo, analisando os impactos da aplicação desta técnica no desempenho (taxa de erro em função da relação sinal ruído) em um canal AWGN e avaliando a redução de complexidade de processamento. O processo de decodificação proposto utilizará a teoria de minimização de treliça proposta em (MCELIECE, 1996) e a teoria de seccionamento de treliça proposto em (VARDY, 1998). Decodifica-se utilizando o algoritmo max-log-MAP (VUCETIC; YUAN, 2000). Desenvolve-se uma métrica de complexidade baseada no número de operações e mostra-se técnicas para escolher-se seccionamentos que são simples e apresentam pouca ou nenhuma perda de desempenho em função da decodificação convencional. We present a technique for reducing the turbo decoding complexity based on minimal and sectionalized trellises. A novel complexity metric is proposed and the complexity of all possible sectionalizations for some selected codes is evaluated. We use the minimal trellis representation proposed in (MCELIECE, 1996) for BCJR decoding and conclude that one can find less complex sectionalizations (when compared to the conventional trellis) which show small or none performance degradation.

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná Life in society has initiated a search for comfort and security in social centers. This quest has generated revolutions within the knowledge about the technologies involved, making the environment automated and integrated. Along with this increase, ecological concerns have also arisen, which have been involved since the conception of intelligent structures, remaining throughout their use. Based on these two pillars, the present study aims to cover three central systems inside the apartments of the Apolo Building (Bragança, Portugal). The monitoring of the energy and water consumption and waste disposal systems are integrated by storing the data in a single database in InfluxDB. The data is collected through the sensors and transmitted via Wi-Fi, allowing real-time monitoring through the Grafana application. This data collection makes it possible to track the resident’s behavior through the applied machine learning algorithm. In addition, the collected data should be visible to the resident, bringing together ecological solutions that minimize the expenditure of the building’s resources. Through continuous observation of the data, it will be possible to analyze whether there have been changes in the resident’s behavior through the data presented. Besides dealing only with technical data, this analysis can bring advantages in the search for better ecological awareness of each resident. There is no point in seeking efficient solutions for the building if each resident does not has own actions do not aim at it. A vida em sociedade iniciou uma procura ao conforto e à segurança nos centros sociais. Esta procura gerou revoluções dentro do conhecimento sobre as tecnologias envolvidas, tornando o meio ambiente automatizado e integrado. Juntamente com este aumento, surgiram também preocupações ecológicas, que têm estado envolvidas desde a concepção de estruturas inteligentes, permanecendo ao longo do tempo da sua utilização. Baseado nestes dois pilares, o presente estudo pretende abranger três sistemas centrais no interior dos apartamentos do Edifício Apolo (Bragança, Portugal). A monitorização dos sistemas de consumo de energia, de água e descarte de lixo são integrados através do armazenamento dos dados numa mesma base de dados no InfluxDB. Os dados são coletados através dos sensores e transmitidos via Wi-Fi, permitindo a monitorização em tempo real através da aplicação Grafana. A partir da aquisição desses dados é possível fazer o rastreamento do comportamento do residente através do algoritmo de machine learning aplicado. Além disso, os dados adquiridos devem ser visíveis ao próprio morador, trazendo junto soluções ecológicas que minimizam os gastos dos recursos do edifício. Através da observação contínua dos dados, será possível analisar se houve mudanças de comportamento do morador mediante os dados apresentados. Essa análise, além de tratar apenas dos dados técnicos, pode trazer vantagens na busca por uma melhor consciência ecológica de cada morador. Não só adianta buscar soluções de eficiência ao prédio, se cada morador não tiver sua percepção e atos também voltados a isso.

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.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) As Redes de Baixa Potência e com Perdas (LLNs, do inglês Low-power and Lossy Networks) ganharam destaque na comunidade científica devido ao paradigma tecnológico da Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things). A Força-Tarefa de Engenharia da Internet (IETF, do inglês Internet Engineering Task Force) que dedica esforços em propor novos padrões para a Internet, se refere às LLNs como redes que se integram à Internet, ou seja, que constituem a IoT. O encaminhamento e a entrega de pacotes em LLNs representam um desafio em termos de confiabilidade e eficiência energética. Para tanto, um protocolo de roteamento foi projetado pela IETF: o Protocolo de Roteamento para Redes de Baixa Potência e com Perdas (RPL, do inglês Routing Protocol for LLNs). Visando estabelecer caminhos estáveis sobre enlaces com perdas, o RPL considera os custos obtidos de métricas para a tomada de decisão de roteamento.Dentre as quais, a Contagem de Transmissão Esperada (ETX, do inglês Expected Transmission Count) é a métrica mais empregada, em razão da confiabilidade. Porém, os nós intermediários (em que se formam os gargalos) ainda são prejudicados devido a rápida exaustão das baterias, motivando, assim, uma investigação mais aprofundada em eficiência de roteamento. Nesses termos, buscou-se neste trabalho aumentar o tempo de operação desses nós, partindo da hipótese de que o consumo estimado de energia da interface de rede, convertido para custo de métrica, poderia estender o tempo de vida das LLNs e aumentar a entrega de pacotes. Esses objetivos foram alcançados com diversos experimentos realizados em diferentes cenários simulados, que findaram em uma nova métrica de roteamento. Para tanto, este documento apresenta a Potência Média da Interface de Rede (NIAP, do inglês Network Interface Average Power), uma alternativa promissora à métrica ETX, que contribui para o balanceamento de carga, prolonga o tempo de operação dos nós intermediários e aumenta a taxa de entrega de pacotes em LLNs. Low-power and Lossy Networks (LLNs) have gained prominence in the scientific community due to the technological paradigm of the Internet of Things (IoT). The IETF (Internet Engineering Task Force) which dedicates efforts to propose new standards for the Internet, refers to LLNs as networks that integrate with the Internet, i.e., IoT. The routing and packet delivery in LLNs represent a challenge in terms of reliability and energy efficiency. Thus, a routing protocol was designed by the IETF: the RPL (Routing Protocol for LLNs). To establish stable paths across lossy links, RPL considers the costs obtained from metrics for routing decision making. Among these, ETX (Expected Transmission Count) is the most widely used, due to reliability. However, intermediate nodes (where bottlenecks arise) are still harmed due to the rapid exhaustion, thus prompting routing efficiency further investigation. In these terms, this work sought to increase the operation time of these nodes, based on the hypothesis that the estimated energy consumption of the network interface, converted to metric cost, could extend the lifetime of LLNs and increase the packet delivery. These objectives were achieved with several experiments performed in different simulated scenarios, which ended in a new routing metric. Therefore, this document presents the NIAP (Network Interface Average Power), a promising alternative to the ETX metric, which contributes to load balancing, extends the operation time of intermediate nodes, and increases the packet delivery ratio in LLNs.

Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) Com o aumento progressivo no interesse pela energia solar fotovoltaica, cresce também o interesse no monitoramento das plantas, bem como no desenvolvimento de métodos práticos para se detectar e até mesmo classificar falhas que possam ocorrer em qualquer parte dos sistemas fotovoltaicos. Dentre alguns dos motivadores para este crescimento, pode ser citado o fato de que grande parte destes sistemas fica em ambiente aberto e desprotegido, ficando suscetível ao efeito de eventos meteorológicos, tais quais ventos e chuvas fortes, o que acarreta numa maior propensão à falhas. Outro fator é que a falha em um elemento do sistema, como um módulo fotovoltaico por exemplo, pode prejudicar o funcionamento dos demais, além do fato de que um sistema operando com falhas por muito tempo pode reduzir a vida útil dos equipamentos e até gerar riscos maiores como a ocorrência de incêndios. Desta forma, neste trabalho é apresentado um sistema de classificação de falhas de curto-circuito, degradação, circuito aberto e sombreamento em plantas fotovoltaicas ligadas à rede elétrica. Este sistema foi construído utilizando modelos de aprendizado de máquina, a partir das medições de irradiância local e temperatura, bem como das tensões e correntes geradas pelos módulos fotovoltaicos. Ainda, o modelo de classificação foi treinado com dados provenientes de uma simulação construída e, foi ainda, implementado em um sistema de monitoramento desenvolvido, o qual foi utilizado para coletar as variáveis elétricas e ambientais em torno da planta fotovoltaica. O trabalho foi validado em uma planta real de 5kWp e levou em conta duas abordagens, sendo uma com e outra sem detecção das falhas. O sistema final apresentou um resultado competitivo com os encontrados na literatura, alcançando acurácias superiores a 90%, apresentando ainda vantagens relevantes como: a classificação não intrusiva, classificador embarcado no sistema de monitoramento, o treinamento com dados exclusivos de simulação e validação com dados reais, incluindo o sombreamento natural da planta. With the progressive increase in interest in solar photovoltaic energy, there is also an growing interest in monitoring plants, as well as the development of practical methods to detect and even classify faults that may occur in any part of photovoltaic systems. Among some of the motivators for this growth, it can be mentioned the fact that most of these systems are in an open and unprotected environment, being susceptible to the effect of meteorological events, such as strong winds and storms, which leads to a greater tendency to failures. Another factor is that the failure of a single system element, such as a photovoltaic module for instance, can impair the functioning of the others, in addition to the fact that a system operating with failures for a long time can reduce the lifespan of the equipment and even generate risks as the occurrence of fires. Thus, this work presents a classification system for short-circuit, degradation, open circuit and shading failures in on grid photovoltaic plants. This system was built using machine learning models, using measurements of local irradiance and temperature, as well as the voltages and currents generated by the photovoltaic modules. Also, the classification model was trained with data gathered from simulation and was also implemented in a monitoring system, which was used to collect the electrical and weather variables around the photovoltaic plant. The work was validated in a real 5kWp plant and took into account two approaches, one with and other without fault detection. The final system presented a competitive result with those found in the literature, reaching over 90% accuracy, while still presenting relevant advantages such as: non-intrusive classification, classifier embedded in the monitoring system, training with simulation data only and validation with data including the natural shading on the photovoltaic plant.

Esse trabalho propõe o método de clusterização baseado em LEACH para melhorar a eficiência energética de redes com Bluetooth Mesh. E para reduzir ainda mais a carga sofrida sobre os nós Cluster Heads, um algoritmo de Radio Duty Cycling que requer nenhuma modificação no protocolo padrão Bluetooth Mesh foi utilizado, com somente uma simples modificação na lógica da transmissão de pacotes. Simulações em computadores mostram que o Radio Duty Cycling proposto e o método de clusterização são muito efetivos na redução do tempo ocioso de escuta do canal e no aumento da eficiência energética. É observado que o Radio Duty Cycling incrementa em até 90% a melhoria em eficiência energética. Além do mais, as simulações mostram que a técnica proposta de Clusterização é efetiva no controle da replicação excessiva de mensagens, as quais são inerentes da operação do Flooding, que por sua vez tem um impacto positivo na taxa de entrega de pacotes e na escalabilidade da rede. Finalmente, pode ser observado que o método proposto de Clusterização, quando aplicado com a técnica de Radio Duty Cycling pode fornecer uma melhoria na eficiência energética quando comparada com o protocolo Bluetooth Mesh original. This work proposes a Clustering Algorithm based on LEACH to improve the energy efficiency of Bluetooth Mesh networks. To further reduce the burden over the Cluster Heads, an Radio Duty Cycling algorithm that requires no modification in the current Bluetooth Mesh Profile is needed, only a simple modification on the packet transmission logic. Computer simulations shows that the proposed radio duty cycling and clustering methods for reducing idle listening are very effective in improving energy efficiency. It was observed that duty cycling brings up to 90% of improvement in energy efficiency. In addittion, simulations shows that the proposed clustering technique is effective in controlling the excessive message replication that is inherent in flooding operation, which in turn have a positive impact on packet delivery ratio and network scalability. Finally, it can be observed that the proposed clustering algorithm, when applied with the proposed radio duty cycling algorithm can provide an improvement in energy efficiency when compared to the baseline Bluetooth Mesh profile.

Neste trabalho propõe-se um Sistema Híbrido de Localização para Ambientes Internos (H-IPS, do inglês Hybrid Indoor Positioning Sytem) baseado no mecanismo de beacons do Bluetooth Low Energy (BLE). Realiza-se a fusão das técnicas de Fingerprinting (FP) e Multilateração (MLT), ambas baseadas no Indicador de Intensidade de Sinal Recebido (RSSI, do inglês Received Signal Strength Indicator). O objetivo é estimar a localização de um objeto móvel em um ambiente fechado, considerando que este segue um modelo de movimento com velocidade constante. Aplica-se um Filtro de Kalman (FK) para cada saída (FP e MLT), com o objetivo de suavizar o erro associado a cada técnica. Finalmente, é realizada a fusão dos vetores de estado obtidos após a filtragem, para reduzir a incerteza do posicionamento obtido. Os resultados indicam que o esquema proposto apresenta um aumento na precisão da estimativa de posição de 46%, quando comparado com a técnica de FP, e de aproximadamente 54%, quando comparado com a técnica de MLT. Além disso, analisou-se a influência do tamanho da grade utilizada para estruturar o banco de dados de fingerprinting, o número de Pontos de Acesso (Aps, do inglês Access Points) e como o número de amostras utilizadas afeta a precisão do esquema apresentado. Por fim, os resultados mostram que a probabilidade de que o erro de distância do H-IPS desenvolvido seja menor do que 2 m é 92%, enquanto que para FP e MLT a mesma probabilidade é de 43% e 47%, respectivamente. In this work it was considered the Bluetooth Low Energy (BLE) beaconing mechanism to propose an Hybrid Indoor Positioning System (H-IPS) that fuses both multilateration (MLT) and fingerprinting (FP) RSSI-based approaches. The aim is to estimate the localization of an indoor target node, which is assumed to follow a uniform motion model. It was adopted Kalman Filtering (KF) to diminish the MLT and FP errors while performing a track-to-track fusion (TTF) of the two KF outputs to further improve the performance. The results indicate that the proposed H-IPS improves the estimation accuracy when individually compared to the standalone FP scheme in up to 46% in the considered scenarios, while the standalone MLT is outperformed in approximately 54%. Moreover, some insights on the influence of parameters such as the FP grid size, number of access points (Aps) and number of samples on the accuracy of the proposed scheme are provided. Finally, it is shown that the probability that the distance error of the proposed H-IPS is lower than 2 m is 92%, while for the FP and MLT the same probability is 43% and 47%, respectively.

O Brasil está entre os países que mais investem em construções sustentáveis no mundo, apontado como o 4º país no ranking mundial. Com isso, os sistemas de automação inteligentes tornam-se grande aliados na busca por eficiência energética e sustentabilidade em empreendimentos, uma vez que são utilizados, por exemplo, para controle de iluminação e ar condicionado, que representam grande parte do consumo energético de um edifício. Existem diversas organizações que concedem certificações para construções sustentáveis, em seus vários níveis, comprovando os métodos e modelos pré-estabelecidos para tal, sendo o LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) uma das principiais certificações internacionais. Neste trabalho, são tomadas como base as premissas apontadas pela certificação LEED v4, seção de Energia e Atmosfera com tipologia O+M em Empreendimentos Existentes, no intuito de comprovar a necessidade e auxílio da automação para um ambiente inteligente e sustentável, evidenciando, em particular, estratégias de controle de iluminação. Realizou-se o estudo de caso de um edifício da faculdade FAE Business School, sediada na cidade de Curitiba, Paraná, que não possui certificação LEED, porém vem investindo em tecnologias de otimização inteligente para automação em um edifício com 20 salas de aula, entre outros, para garantir um melhor aproveitamento energético, além de conforto aos usuários. Ao aplicar os critérios abordados pela certificação LEED, utilizou-se a ferramenta Energy Star Portfolio Manager para obter os dados do edifício médio, que é adotada como referência para as comparações. Observou-se nos resultados do estudo que as salas de aula desse edifício consomem 72 % menos energia que os edifícios similares, muito por conta do sistema inteligente de controle de iluminação instalado no edifício. Concluiu-se que para receber a certificação LEED com pontuação mínima, o empreendimento estudado precisa cumprir uma série de melhorias e pré-requisitos. Com isso, verifica-se que é possível atingir entre 25 % e 90 % da pontuação LEED necessária para certificação, somente na tipologia avaliada por esse trabalho. Brazil is among the countries that invest the most in sustainable construction in the world, named as the 4th country in the world ranking. Thus, intelligent automation systems become great allies in the pursuit of energy efficiency and sustainability, as they are used, for example, for lighting and air conditioning control, which represent a large part of building's energy consumption. There are several organizations that award certifications for sustainable buildings at various levels, proving pre-established methods and models, where the LEED certification (Leadership in Energy and Environmental Design) is one of the main international. In the present study, the premises of the LEED certification, Energy and Atmosphere section with O+M typology in Existing Buildings, are taken as basis, in order to prove the need and aid of automation systems for an intelligent and sustainable environment, highlighting, in particular, strategies for lighting control. A case study of the FAE Business School’s building, situated in Curitiba, Paraná, which is not LEED certified, but has been carried out and has been investing in intelligent optimization technologies for automation in a building with 20 classrooms, among others, to ensure a better use of energy and comfort to users. Applying LEED certification criteria, the Energy Star Portfolio Manager tool was used to obtain the average building data, which is adopted as a reference for comparisons. The results of the study show that the classrooms of this building consume 72 % less energy than similar buildings, due to the intelligent light control system installed in the building. It was concluded to achieve LEED certification with a minimum score, the studied building must fulfill a series of improvements and prerequisites. Thus, it’s possible to achieve between 25 % and 90 % of the LEED score required for certification, only in the typology evaluated by this paper.

Esquemas utilizando a técnica Multi-User MIMO adicionados aos padrões 802.11ac/ax podem atingir altas taxas por meio de técnicas de beamforming, que permitem a transmissão de streams de dados para múltiplos usuários de forma simultânea. Porém isso requer o conhecimento do canal do usuário (CSI), que é um processo complexo de ser obtido na prática. Alternativamente, o access point pode balancear a taxa estimada com o overhead para processamento da CSI, escolhendo um número de antenas de transmissão e recepção apropriado, assim como o número de usuários de acordo com o canal do cliente e sua fila de pacotes. O presente trabalho propõe a aplicação de um algoritmo de seleção de usuário baseado nas propriedades da teoria MU-MIMO e a SNR omnidirecional do usuário chamado PUMA (Pre-sounding User and Mode selection Algorithm), e sua aplicação em um cenário de diversidade. A taxa do esquema proposto com métodos tradicionais de seleção fixa e busca exaustiva e os efeitos equivalentes na eficiência energética são comparados. Os resultados apresentam que as vantagens do PUMA são ampliadas em um cenário de diversidade, onde o agrupamento de usuários causa mudanças drásticas na taxa. Ainda, utilizando diferentes esquemas de diversidade na mesma configuração de rede, diferentes taxas e consumo são obtidos. Apesar de o esquema MRC consumir mais energia durante a recepção do frame, é o modelo mais eficiente de diversidade na recepção, principalmente pelo ganho de SNR. Multi-User (MU) MIMO schemes introduced to IEEE 802.11ac/ax amendments can achieve high throughput by means of beamforming techniques, which enables transmission of different data streams to multiple users simultaneously. However, it requires the user Channel State Information (CSI), which is not trivial to obtain in practice. Alternatively, the access point can balance the expected rate with the CSI processing overhead by choosing an appropriate number of transmitting and receiving antennas, as well as the number of users according to client channel and backlog. We propose the application of a user selection algorithm based on MU-MIMO theoretical properties and user omnidirectional SNR named PUMA (Pre-sounding User and Mode selection Algorithm), and its application on a diversity scenario. The data rate of the proposed scheme with traditional fixed-mode and exaustive search user selection and the equivalent effects on energy efficiency are compared. Results show that the PUMA advantages are enhanced in a diversity scenario when client grouping causes dramatic changes in the sum rate. In addition, by using different diversity schemes on the same WLAN configuration, different rates and consumption are obtained. Despite MRC consuming more energy during frame reception, it is the most energy-efficient receive diversity scheme, mainly because of SNR improvement.

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%.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Os sistemas de controle em rede sem fio são uma classe de sistemas em que a comunicação entre sensores, atuadores e controladores ocorre por meio de uma banda compartilhada. Este tipo de sistema tem uma ampla área de aplicação, uma vez que pode ser incorporado em situações onde o espaço é limitado e quando a redução de custos de implementação é necessária. Além disso, os sistemas de controle sem fio têm ampla aplicação dentro das comunicações entre máquinas, parte fundamental dos sistemas 5G. Neste contexto, é de fundamental importância garantir a estabilidade do sistema controle, ao mesmo tempo que o processo de transmissão deve ocorre no menor tempo possível. Ainda, devido às restrições de tamanho e custo desses sistemas, é comum que os sistemas de controle sem fio sejam alimentados por baterias. Portanto, a energia total consumida pelo sistema deve ser levada em conta. Portanto, este trabalho foca na minimização da energia consumida por bit transmitindo, com a restrição de que a estabilidade do sistema de controle deve ser garantida. Utilizando o método do tempo de permanência, que é condição suficiente para obter estabilidade no sistema, foi possível, através da otimização da probabilidade de outage, minimizar o consumo de energia por bit. Concluímos que a distância entre o transmissor e o receptor interfere diretamente no consumo de energia por bit do sistema, tendo em vista que a potência de transmissão depende da distância entre o transmissor e o receptor. Por fim, foi possível obter uma expressão fechada que relaciona a probabilidade de outage máxima que o sistema pode operar com a estabilidade do sistema de controle. Wireless networked control systems are a class of systems where communication between sensors, actuators and controllers occurs through a shared bandwidth. This type of system has a wide application area, since it can be incorporated in situations where space is limited and when implementation cost reduction is required. In addition, wireless control systems have wide application within machine-to-machine communications, a fundamental part of 5G systems. In this context, it is of fundamental importance to guarantee the stability of the control system, at the same time that the transmission process must occur within the shortest possible delay. Moreover, due to the size and cost restrictions of these systems, it is common for wireless control systems to be powered by batteries. Therefore, the total energy consumed by the system must be taken into account. Therefore, this work focuses on the minimization of the energy consumed per transmitting bit, with the restriction that the stability of the control system must be guaranteed. Using the dwell time approach, which is a sufficient condition to obtain stability, it was possible, through the optimization of outage probability, to minimize energy consumption per bit. We conclude that the distance between the transmitter and the receiver directly interferes with the system's power consumption per bit, since the transmission power depends on the distance between the transmitter and the receiver. Finally, it was possible to obtain a closed-form expression that relates the maximum outage probability that the system can operate with the stability of the control system.

As Redes Acústicas Subaquáticas (UWANs) são utilizadas na coleta de dados e para o monitoramento de diversos tipos de aplicações, desde a indústria off-shore até instalações militares. Da mesma forma que as redes de sensores sem fio terrestres, também é possível explorar a natureza de difusão do canal sem fio e empregar o conceito de comunicações cooperativas para combater o desvanecimento. Em uma rede cooperativa, os nós ajudam uns aos outros, retransmitindo as informações divulgadas por seus parceiros. No entanto, mais do que apenas aumentar a confiabilidade, é necessário também despender esforços para aumentar o tempo de vida da rede, uma vez que não é desejável substituir frequentemente as baterias dos nós sem fio. Assim, neste trabalho é adotada a eficiência energética (em Joules/bit) para avaliar o desempenho de alguns protocolos cooperativos com codificação de rede (NCC) quando comparados à comunicação não cooperativa. Mais especificamente, é considerado um cenário em que o acesso múltiplo é realizado por meio de OFDMA com alocação de subportadora e que estende os resultados de um esquema NCC-OFDMA recentemente proposto. No esquema proposto, referido como codificação de rede dinâmica generalizada (GDNC)-OFDMA, mais do que simplesmente adotar também o domínio do tempo para alcançar a diversidade, também é mostrado que a ordem de diversidade pode ser aumentada ainda mais sobre o esquema NCC-OFDMA, relaxando uma restrição imposta ao NCC-OFDMA onde apenas um conjunto de nós é capaz de transmitir informações redundantes. Os resultados deste trabalho, os quais englobam análise matemática suportada por simulações computacionais e adotam parâmetros reais de modems acústicos, mostram que o esquema GDNC-OFDMA proposto é capaz de apresentar maior eficiência energética em diversos cenários práticos. Underwater Acoustic Networks (UWANs) are used to collect data and to monitor various types of applications, from the offshore industry to military installations. Similarly to terrestrial wireless sensor networks, it is also possible to explore the broadcast nature of the wireless channel and employ the concept of cooperative communications in order to combate the fading. In a cooperative network, nodes help each other by relaying the information broadcasted by their partners. However, more than just increasing reliability, one must also expend efforts towards increasing the network lifetime, since it is not desirable to oftenly reaplace the batteries of the wireless nodes. Thus, in this work we adopt the energy efficiency (in Joules/bit) as performance metric to evaluate some network-coded cooperative (NCC) protocols. More specifically, it is considered a scenario where the multiple access is performed by means of subcarrier allocation-aided OFDMA, extending the results of a recently proposed NCC-OFDMA scheme. In the proposed scheme, referred to as generalized dynamic network coding (GDNC)-OFDMA, more than just achieving diversity from time domain, it is shown that the diversity order can be increased even further, by relaxing a constraint imposed to the NCC-OFDMA scheme that only a set of nodes is able to transmit redundant information. The results of this work, which encompasses mathematical analysis supported by computer simulations, adopt real acoustic modems parameters, show that the proposed GDNC-OFDMA scheme is capable of present improved energy efficiency in several practical scenarios.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) No contexto de Internet das Coisas (IoT em inglês Internet of Things), este trabalho contempla um estudo da escalabilidade de uma rede de sensores sem fio LoRa/LoRaWAN em ambientes com desvanecimento. Para isto, através de simulações computacionais foi averiguado o efeito do desvanecimento modelado por um canal Nakagami-m na quantidade máxima de nós que pode ser colocada em uma determinada região para que a taxa de extração de dados seja compatível com os requisitos de algumas aplicações típicas de IoT. Os resultados mostram que a escalabilidade da rede LoRa diminui consideravelmente, com a quantidade de dispositivos reduzidas de 3 a 6 % para o canal Nakagami-m com m = 2, característico de cenários com uma parcela grande de linha de visada, e de 9 a 18% em canais Nakagami-m com m = 1, equivalente ao canal Rayleigh que não apresenta linha de visada em comparação com o canal AWGN. Além disso, foi demonstrado que existe um fator de espalhamento ótimo que depende da densidade de nós da rede e do duty cycle. Com fatores de espalhamento menores, observa-se que a quantidade de erros devido às perdas por desvanecimento é dominante na quantidade de erros total, representando mais de 86% dos casos de perda de pacotes. Entretanto, quando o fator de espalhamento aumenta, a robustez do receptor aumenta, consequentemente reduzindo a probabilidade de erro em função do desvanecimento. Por outro lado, a quantidade de colisões começa a se tornar significativa, uma vez que o tempo de propagação de cada símbolo aumenta com o SF. In the context of Internet of Things (IoT), this work studies the scalability of LoRa/ LoRaWAN wireless sensor networks in fading environments. To that end, we employ computer simulations in order to look at the effect of the wireless fading modeled by a Nakagami-m distribution on the maximum number of nodes that can be placed in a given region, constrained to a minimal data extraction rate compatible with typical IoT applications. The results show that the scalability of the LoRa network decreases considerably, with the number of devices reduced from 3 to 6% for the Nakagami-m channel with m = 2, characteristic of line-of-sight scenarios, and of 9 to 18% in Nakagamim channels with m = 1, equivalent to the Rayleigh channel without line-of-sight, compared to the AWGN channel. In addition, it has been shown that there is an optimal spreading factor (SF) that depends on the network node density and duty cycle. With smaller SFs it is observed that the amount of errors due to fading losses is dominant in the total amount of errors, representing more than 86% of packet loss cases. However, when the SF increases, the robustness of the receiver also increases, consequently reducing the probability of error in function of the fading. On the other hand, the number of collisions begins to become significant, since the propagation time of each symbol increases with the SF.

Muitos sistemas apresentam imposições de confiabilidade e latência que se tornam mais difíceis de serem atingidas quando a rede em que o sistema opera é uma rede sem fio. Por outro lado, módulos sensores em uma rede desse tipo precisam economizar energia para evitar gastos com manutenção e estender seu tempo de vida, visto que muitas vezes estes módulos se encontram em locais de difícil acesso. Diversos estudos até aqui realizados mostram ser possível reduzir o consumo de energia de nós otimizando parâmetros da comunicação sem fio. O fato de o sistema exigir uma latência máxima implica que o número de retransmissões não pode ser ilimitado. Nesta dissertação é avaliada a minimização do consumo de energia otimizando parâmetros de comunicação como a ordem de modulação, a SNR (Signal-to-Noise Ratio), taxa de código e inclusive o número de retransmissões, em uma rede que possui exigências de confiabilidade, latência e potência máxima. Este trabalho considera uma comunicação através de um canal com desvanecimento do tipo Rayleigh, o uso de códigos corretores de erro convolucionais, além de S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) como técnica de retransmissão de mensagens. Ao final a mesma avaliação é feita, porém maximizando a eficiência energética do sistema, o que nos leva a perceber que o número máximo de retransmissões não sofre grande impacto quando o tipo de otimização é trocado. Os resultados mostram que a limitação de atraso impacta diretamente na seleção dos parâmetros. Quando o objetivo for reduzir o consumo energético ou aumentar a eficiência energética em um ambiente com limitação de latência nem sempre a melhor escolha será aumentar o número de retransmissões possíveis. Maiores atrasos permitem o uso de números de retransmissões maiores, estendendo o alcance dos dispositivos e reduzindo seu consumo. Além disso, aumentar a confiabilidade das entregas de pacotes impacta de maneira a dificultar a comunicação do ponto de vista energético. Many systems present constraints of reliability and delay, which become harder to be achieved when the system operates through a wireless network. On the other hand, sensor modules in these networks need to save energy avoiding maintance costs and extending their lifetime, since these modules are usually located in places that are difficult to access. Several works have shown that is possible to reduce the energy consumption in sensor nodes optimizing wireless communication parameters. The fact that the system requires a maximum delay implies that the number of retransmissions cannot be unlimited. In this work we evaluate the energy consumption minimization, optimizing communication parameters such as the modulation order, the SNR (Signal-to-Noise Ratio), code rate, including the number of retransmissions, in a network with reliability, latency and maximum power requirements. This work considers that the wireless links are subjected to Rayleigh fading, while we employ convolutional error correcting codes and S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) as the retransmission technique. In addition, the same evaluation is made, but maximizating system’s energy efficiency, which yields small differences with respect to the case when the energy consumption is minimized. Results show that the delay constraints impact directly in communication parameters selection. Moreover, when the goal is to reduce energy consumption or to increase energy efficiency in a environment with latency constraints, it is not always a good choice to increase number of possible retransmissions. Higher delays allow the use of a large number of retransmission attempts, extending the device’s range and reducing its energy consumption. Furthermore, increasing package delivery realiability turns the communication task harder from the energy efficiency point of view.

Este trabalho estuda as potenciais melhorias na eficiência energética e vazão do método híbrido de requisição automática de retransmissão (Hybrid Automatic Retransmission Request, HARQ). A análise inclui as camadas física (PHY) e de acesso ao meio (MAC). É investigada a relação de compromisso gerada pelo HARQ, o qual demanda uma menor potência de transmissão para uma certa probabilidade de falha alvo ao custo de mais acessos ao canal. Uma vez que a competição para acesso ao canal na camada MAC é bastante custosa em termos de energia e atraso, os resultados mostram que a utilização do HARQ leva a uma grande melhoria de performance devido ao menor número de nós competidores – uma consequência da redução na potência de transmissão necessária. Contra-intuitivamente, esta análise leva à conclusão que retransmissões podem diminuir o atraso, melhorando a performance do sistema. Finalmente, são também investigados valores ótimos para o número de retransmissões permitidas, visando maximizar vazão ou/e eficiência energética. This work studies the potential improvements in terms of energy efficiency and throughput of a hybrid automatic retransmission request (HARQ) mechanism. The analysis includes both the physical (PHY) and medium access (MAC) layers. We investigate the trade-off provided by HARQ, which demands reduced transmit power for a given target outage probability at the cost of more accesses to the channel. Since the competition for channel access at the MAC layer is very expensive in terms of energy and delay, our results show that HARQ leads to great performance improvements due to the decrease in the number of contending nodes – a consequence of the reduced required transmit power. Counter-intuitively, our analysis leads to the conclusion that retransmissions may decrease the delay, improving the system performance. Finally, we investigate the optimum values for the number of allowed retransmissions in order to maximize either the throughput or the energy efficiency.

Muitas aplicações de redes de sensores sem fio exigem que nós, além de monitorar certo fenômeno, devem ser capazes de detectar e comunicar eventos assíncronos (e.g. alarmes), o que implica que eles deverão ouvir o meio em modo ocioso, o que é inerentemente um desperdício de energia. Nesse cenário, sincronização de relógio é crucial para operar com eficiência em ciclos de trabalho e minimizar o consumo de energia. Nesta dissertação, avaliamos o impacto do \textit{trade-off} entre a energia gasta com sincronizações mais frequentes e, em troca reduzir a janela de escuta ociosa necessária para que a confiabilidade desejada da comunicação seja atingida. A frequência ideal de sincronizações é obtida analiticamente e corroborada por resultados numéricos, mostrando que é possível gastar uma pequena fração da energia total com uma rede com sincronização mais precisa quando comparada com a manutenção da precisão do relógio mínima exigida pelo fenômeno que está sendo monitorado, aumentando significativamente a vida útil da rede. Além disso, uma solução fechada para o limite superior a este número ideal é derivada através da aproximação de que a energia gasta para transmitir ser muito menos significativa quando comparada à gasta para receber. Usando este resultado, pudemos prever através de simulações que este número ideal será aumentado pela energia de escuta, o número de vezes que um nó precisa ouvir o meio à espera de alarmes, ao nível de confiança em que o sistema foi concebido para trabalhar, ao intervalo de sincronização e à variância da frequência de oscilação relativa entre os nós. Por outro lado, este número será menor quando o custo energético de sincronização for maior (i.e. Quando a energia de comunicação aumentar). Many applications of wireless sensor networks require that nodes, besides monitoring a given phenomenon, must be able to detect and communicate asynchronous events (e.g. alarms), implying that they have to often listen to the medium in idle mode, which is inherently energy wasteful. In such a scenario time synchronization is crucial to efficiently operate in duty-cycles and minimize energy consumption. In this work we assess the impact of the trade-off between spending energy with more frequent synchronizations and in return saving it by reducing the idle listening window necessary for the desired reliability of the communication. The optimal frequency of time synchronizations is obtained analytically and corroborated by numerical results, showing that several times less overall energy may be spent with a finer synchronization when compared with maintaining the minimum clock precision required by the phenomenon being monitored, greatly extending the life-span of the network.Furthermore, a closed form upper bound to this optimal number is derived by approximating transmit power being of much more significance when compared to receive power. Using this result, we predict and then simulate that this optimal number will be increased by the listening power, the number of times which a node has to listen to the medium idly, the level of confidence at which the system is designed to work, the synchronization interval and the variance of the relative oscillation frequency between synchronizing nodes. On the other hand, this number will be smaller when the energy cost of synchronization is higher (e.g. when active communication energy increases).

Neste trabalho, é proposta a utilização de múltiplas antenas de transmissão juntamente com o embaralhamento de pacotes para aumentar a segurança de uma rede composta por dois nós legítimos (Alice e Bob) e um espião passivo, todos eles providos com múltiplas antenas. Levando em consideração o denominado intervalo de segurança (Security Gap) como métrica de desempenho e assumindo um cenário com desvanecimento quase-estático, foi então analisado (analítica e numericamente) o intervalo de segurança em termos de probabilidade de outage e de taxa de erro de pacotes (usando códigos convolucionais), mostrando que em ambas as situações é possível atingir níveis negativos de intervalo de segurança com um número praticável de antenas transmissoras. Além disso, mostra-se que usando uma aproximação para o intervalo de segurança baseado na probabilidade de outage, é possível estimar com precisão o número de antenas em Alice para se atingir um determinado nível de segurança. Também é mostrado que utilizando o esquema de seleção de antena de transmissão juntamente com o método de combinação de razão máxima na recepção (TAS/MRC) com o embaralhamento de pacote, é possível ter os mesmos resultados, ou muito similares, para um caso real utilizando a FER quando comparado com o caso ideal da probabilidade de outage. In this work, the use of multiple transmitting antennas with frame scrambling is proposed to increase the security of a network composed by two legitimate nodes (Alice and Bob) and a passive eavesdropper, all of them provided with multiple antennas. Considering the so-called security gap as the performance metric and assuming a quasi-static fading scenario, it was evaluated (analytically and through numerical results) the security gap based on both the outage probability and the frame error rate (using convolutional codes), showing that, in both situations, it is possible to achieve negative values of security gap with a feasible number of transmitting antennas. Moreover, it is showed that using an approximation to security gap based on outage probability, one can accurately estimate the number of antennas in Alice needed to achieve a given level of security. It is also showed that using TAS/MRC with frame scrambling, it is possible to get the same results, or almost the same, in a real case using FER when it is compared to an ideal case with outage probability.

A comunicação em redes veiculares ad hoc (VANETs) é comumente dividida em dois cenários, chamados veículo-a-veículo (V2V) e veículo-a-infraestrutura (V2I). Objetivando estabelecer uma comunicação segura contra espiões, trabalhos recentes tem proposto a troca de chaves secretas baseado na variação da força do sinal recebido (RSS). Entretanto, o bom desempenho de tal método depende da taxa de variação do canal, sendo mais apropriado a cenários em que o canal varia rapidamente, como geralmente é o caso da comunicação V2V. Já na comunicação V2I, o canal normalmente possui desvanecimento lento. Neste trabalho, é proposta a utilização de múltiplas antenas com o intuito de gerar artificialmente um canal de desvanecimento rápido, permitindo assim a extração de chaves secretas através da RSS em um cenário V2I. Análises numéricas mostram que o modelo proposto pode obter desempenho superior, em termos de taxa de extração de bits secretos, do que o modelo de salto em frequência proposto na literatura. The communication in vehicular ad hoc networks (VANETs) is commonly divided in two scenarios, namely vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I). Aiming at establishing secure communication against eavesdroppers, recent works have proposed the exchange of secret keys based on the variation in received signal strength (RSS). However, the performance of such scheme depends on the channel variation rate, being more appropriate for scenarios where the channel varies rapidly, as is usually the case with V2V communication. In the communication V2I, the channel commonly undergoes slow fading. In this work we propose the use of multiple antennas in order to artificially generate a fast fading channel so that the extraction of secret keys out of the RSS becomes feasible in a V2I scenario. Numerical analysis shows that the proposed model can outperform, in terms of secret bit extraction rate, a frequency hopping-based method proposed in the literature.