Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-11-28T18:23:40Z No. of bitstreams: 1 2017_MarcosFagundesCaetano.pdf: 2683057 bytes, checksum: cc2d5b19cde4bb0bd1b85c64465bd1f5 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-02-05T19:47:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_MarcosFagundesCaetano.pdf: 2683057 bytes, checksum: cc2d5b19cde4bb0bd1b85c64465bd1f5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-05T19:47:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_MarcosFagundesCaetano.pdf: 2683057 bytes, checksum: cc2d5b19cde4bb0bd1b85c64465bd1f5 (MD5) Previous issue date: 2018-02-05 / O aumento significativo na quantidade de dados transmitidos por via aérea cresceu à medida em que aumentou o número de dispositivos móveis com acesso à Internet. O aumento na demanda por comunicação sem fio levou à busca por soluções que permitam a acomodação, em uma mesma região geográfica, de uma quantidade maior de dispositivos que desejam comunicar. Mesmo sendo um recurso escasso, o espectro eletromagnético tem sido utilizado de forma a minimizar o nível de interferência e não maximizar seu uso. O padrão IEEE 802.11, largamente implementado atualmente, possui um conjunto de canais ortogonais para mitigar interferência. Contudo, o seu processo de alocação estático dos canais acarreta em desbalanceamento de uso dos recursos. Este trabalho apresenta um mecanismo de controle de acesso ao meio para redes de acesso dinâmico com múltiplos canais ortogonais. O objetivo desse mecanismo é melhorar o gerenciamento dos recursos disponíveis, de forma a maximizar a taxa de uso dos canais, acomodar uma quantidade maior de usuários e reduzir a quantidade de recursos utilizados. Para isso, inicialmente, é apresentado um estudo envolvendo o uso de canal dedicado no gerenciamento de múltiplos canais. Neste contexto, um protocolo de controle de acesso é proposto e um modelo analítico, baseado em teoria de filas, é apresentado. Resultados de simulação, corroborados pelo modelo analítico, descrevem o comportamento do protocolo e delimitam o ponto de saturação do canal de gerenciamento. No cenário de gerenciamento de múltiplos canais, a saturação do canal de controle tem um impacto direto na alocação dos recursos. Com objetivo de minimizar este problema, é proposto um mecanismo de resolução de colisão denominado CRP (do Inglês collision resolution protocol). O CRP reduz em tempo logarítmico o número de estações transmissoras, até que uma única estação tenha acesso exclusivo ao canal. O CRP trabalha em ambos cenários, estações com capacidade de detecção de colisão (CD) e estações sem a capacidade de detecção de colisão (NCD). Foi demonstrado que o problema de selecionar uma estação transmissora, a partir de um subconjunto de n >= 2 estações em contenção, pode ser realizado em até 16n e até 48n fatias de tempo, para estações CD e NCD, respectivamente, com probabilidade de sucesso de pelo menos 1-2-1,5n. Comparado ao mecanismo de contenção implementado pelo padrão IEEE 802.11, o CRP aumenta em até 246% o número de alocações bem sucedidas, reduzindo o tempo gasto para alocação do canal em até 3250 vezes. O protocolo CRP foi comparado com outros protocolos de gerenciamento de múltiplos canais. Abordagens de gerenciamento de encontro simples e encontros paralelos foram utilizadas neste processo. Todos os protocolos utilizados na comparação foram implementados no simulador de eventos discretos OMNET++ v4.6, em conjunto com o framework MiXiM v2.3. Diferentemente de outros trabalhos, além da vazão total agregada, também é considerada na avaliação a taxa de ocupação dos recursos gerenciados. Resultados empíricos demonstram que o CRP otimiza a utilização de recursos, especialmente nos cenários em que os nós receptores são escolhidos de forma aleatória. Neste cenário, o protocolo de encontro paralelo apresenta uma redução de até 69% em sua vazão total agregada, refletindo em uma taxa de ocupação de apenas 17% dos canais. Por outro lado, estações executando o protocolo CRP, além de manter a vazão, são capazes de obter uma taxa de ocupação de 80% dos canais de dados. Os problemas associados ao desencontro de estações transmissoras e receptoras, tais como: receptor ausente e descarte de quadro de dados, não foram verificados no protocolo CRP. Conforme esperado, o CRP não apresenta colisão de quadro de dados e a distribuição do acesso aos recursos, entre as estações executando o CRP, é feita de forma uniforme. / In recent years, the amount of data transmitted over wireless technology has been increasing significantly with the large amount of mobile devices used to get Internet access. The additional demand for wireless communication has led to a search for solutions that allow the allocation of a larger number of communicating devices in the same geographic area. Even though it is a limited resource, the electromagnetic spectrum has been utilized in order to to minimize the interference level, and not maximize its use. The IEEE 802.11 standard, which is extensively adopted, describes a set of orthogonal channels that are used to decrease interference. However, the process of static allocation of channels leads to an unbalanced resource utilization. This work presents a medium access control mechanism for dynamic access networks with multiple orthogonal channels. This mechanism's objective is to improve the management of available resources, in order to maximize the channels' utilization rate, accommodate a larger number of users and reduce the amount of resources utilized. To achieve that goal, a study is presented involving the utilization of a dedicated channel in the management of multiple channels. In this context, a new access control protocol is proposed and an analytic model based on queue theory is presented. Simulation results that are corroborated by the analytical model describe the behavior of the protocol and specify the saturation point of the control channel. In this scenario, the control channel saturation has a direct impact on the resource allocation performance. In order to minimize this problem a collision resolution mechanism is proposed. This mechanism reduces in logarithmic time the number of transmitting nodes, until only one node has exclusive access to the channel. The mechanism works in scenarios where the transmitting nodes are enhanced with collision detection capability and without collision detection capability. It has been demonstrated that the problem of selecting a transmitting node, starting with a subset of n >= 2 contending nodes, can be achieved in up to 16n and 48n slot times, for nodes with and without collision detection capabilities, respectively, with probability of success equal or higher than 1-2-1,5n. When compared to the contention mechanism implemented by the IEEE 802.11 standard CRP increases in up to 246\% the number of successful allocations, greatly reducing the time spent allocating the channel. The collision resolution protocol was compared to other protocols that manage multiple channels. Approaches such as simple rendezvous and parallel rendezvous were utilized. All the protocol employed in the comparison were implemented in the discrete events simulator OMNET++ 4.6 combined with the MiXiM 2.3 framework. Empiric simulation results show that the proposed mechanism presented better resource utilization rates, specially on scenarios where receiving nodes are chosen in random fashion. In this scenario, the parallel meeting protocol reduces the total aggregated throughput in up to 69%, reflecting in a channel occupation rate of 17%. On the other hand, stations running the CRP protocol not only maintain throughput but are also capable of achieving a data channel occupation rate of approximately 80%. The problems associated with issues related to the transmitters and receptors, such as absent receptor and data frame discard were not detected when utilizing CRP protocol. As expected, CRP does not present data frame collision and resource access distribution between stations is done uniformly.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2014. / Submitted by Tania Milca Carvalho Malheiros (tania@bce.unb.br) on 2014-10-06T12:29:16Z No. of bitstreams: 1 2014_FelipedeMoraesModesto.pdf: 12719537 bytes, checksum: 05cec88d291be7ac4c276d60e98dd567 (MD5) / Approved for entry into archive by Tania Milca Carvalho Malheiros(tania@bce.unb.br) on 2014-10-06T13:25:17Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2014_FelipedeMoraesModesto.pdf: 12719537 bytes, checksum: 05cec88d291be7ac4c276d60e98dd567 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-06T13:25:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2014_FelipedeMoraesModesto.pdf: 12719537 bytes, checksum: 05cec88d291be7ac4c276d60e98dd567 (MD5) / Acesso oportunístico é um novo modelo de alocação de espectro cujo objetivo é reaproveitar porções subutilizadas do espectro licenciado. Em redes de acesso dinâmico, os detentores de licença, conhecidos como usuários primários, permitem que usuários não licenciados, chamados usuários secundários, explorem o espectro ocioso. Um dos problemas enfrentados durante reuso de espectro é a dificuldade que usuários secundários têm de obter retorno eficiente das oportunidades de acesso disponíveis. A exploração das oportunidades de acesso depende da capacidade de usuários secundários analisarem o ambiente em que se encontram e adaptarem sua comunicação a esse meio. Este trabalho considera a modelagem do espectro de forma realista como mecanismo para uma avaliação de um protocolo de acesso secundário. O acesso secundário ao espectro foi avaliado com base em uma modelagem feita em função de um conjunto de parâmetros: dimensão do espectro acessível K, número de canais alocados por comunicação (símbolo da letra grega lambda), taxa de disponibilidade do espectro P, tempo de transmissão de usuários primários Tt UP, tempo de transmissão de usuários secundários Tt US e tempo de sensoriamento T2 do espectro. A interferência destes parâmetros no acesso secundário foi avaliada analiticamente e através de simulações. Os resultados obtidos demonstram que a boa caracterização dos parâmetros de acesso tanto de usuários primários quanto secundários permite uma melhor utilização dos recursos existentes. Foi verificado a disponibilidade do espectro e o tamanho dos pacotes de dados primários influenciam significativamente o acesso secundário de forma que o acesso secundário efetivo varia de 1% à 98% em função destes parâmetros. Os resultados obtidos demonstram que a avaliação do meio na definição de protocolos de controle de acesso é fundamental. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Dynamic spectrum access is a new approach to spectrum allocation developed to explore underutilized portions of the licensed spectrum. In dynamic spectrum access networks, licensed users (also known as primary users) allow unlicensed users (also known as secondary users) to access spectrum opportunistically. One of the main challenges faced by secondary users is the ever changing nature of the licensed spectrum, which reduces opportunity exploitation. The effectiveness of spectrum reuse is directly related to the ability secondary users have of adapting to their environment. This work considers the realistic modeling of primary and secondary users spectrum access as an evaluation model for dynamic spectrum access protocols. Secondary access was evaluated based on spectrum modeling based on the following parameters: size of the accessible spectrum K, number of channels allocated per communication ((symbol of the Greek letter lambda) , spectrum availability rate P, primary and secondary data packet sizes Tt UP and Tt US and spectrum sensing time T2. The interference of these parameters in secondary spectrum access was evaluated by computer simulations. The results obtained show that the availability rate P and primary data packet sizes TUP t affect secondary access significantly and that secondary users adaptation allows for efficient spectrum resource exploitation. The percentage of successful communications vary from 1% when spectrum conditions are not adequate to 98% when conditions are optimal. These results demonstrate the need for more thorough spectrum evaluation in medium access control protocols.

Made available in DSpace on 2015-11-14T01:06:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000476061-Texto+Completo-0.pdf: 1784422 bytes, checksum: d3eac64efed456626b720b6ff5c174a4 (MD5) Previous issue date: 2015 / The sensors devices obtained a great evolution in recent years, primarily due to the advancement of manufacturing techniques of electronic devices. And with the evolution of wireless communications techniques, it has been possible to implement wireless sensor networks in numerous types of applications. One of the biggest issues concerning these systems is their limited energy supply during eld operation. The sensors forming such network possess little capacity to store energy, this is due to their need to be reduced in size. Anyhow, the area occupied by the power supply system in many designs is responsible for about 50% of the device`s total area. In this context, this work presents two contributions regarding energy consumption in wireless sensor networks when applied to critical systems, ie where environmental variation can cause injury, danger or tragedy to humanity. First, this dissertation presents an energy model for measuring the e ectiveness of the medium access protocol that will be the second purpose of this dissertation. This protocol aims to add exibility to the frequency of collection of environmental information, which in turn is based on Time Division Multiple Access (TDMA). In this way energy consumption can be reduced and consequently the system`s lifetime is increased. / A tecnologia associada a nodos sensores passou por uma grande evolução nos ultimos anos, principalmente devido ao avanço nas técnicas de fabricação de dispositivos eletrônicos. Esse fato, em conjunto com a evolução da tecnologia de comunicações sem fio, tornou possível o uso de Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) nos mais diversos tipos de aplicações. Apesar de vantagens tais como capacidade de monitorar zonas de difícil acesso, o uso de RSSF em determinados tipos de aplicações pode ser inviável devido fundamentalmente a restrições associadas ao fornecimento de energia. Basicamente, devido a usual baixa capacidade de armazenamento das baterias presentes nos nodos sensores; a vida util da rede passa a ser afetada. Em muitas implementações a area ocupada pelo módulo de fornecimento de energia chega a ocupar aproximadamente 50% da area total do nodo. Outro ponto importante a ser salientado e que além de uma unidade de bateria, o fato da rede ser usualmente utilizada para monitorar regiões de difícil acesso, faze com que a substituição das mesmas seja totalmente inviável. Neste contexto, este trabalho propõe duas contribuições que visam de alguma forma maximizar o tempo de vida util dos nodos presentes em uma RSSF quando aplicada em sistemas críticos, onde a variação do ambiente pode causar algum prejuízo ou mesmo perigo a humanidade. Em um primeiro momento, esta dissertação de mestrado propõe um modelo energético para mensurar a eficiência do protocolo de acesso ao meio. Em um segundo momento, desta dissertação de mestrado, tem como objetivo desenvolver um novo protocolo de acesso ao meio baseado na flexibilização da frequência de coleta de informações do ambiente. Essa flexibilização será implementada baseada na ideia de Time Division Multiple Access (TDMA). Desta forma, será possível reduzir o consumo de energia e consequentemente, aumentar a vida util do sistema como um todo.

Submitted by Setor de Tratamento da Informa??o - BC/PUCRS (tede2@pucrs.br) on 2015-11-13T18:46:36Z No. of bitstreams: 1 476061 - Texto Completo.pdf: 1784422 bytes, checksum: d3eac64efed456626b720b6ff5c174a4 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-13T18:46:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 476061 - Texto Completo.pdf: 1784422 bytes, checksum: d3eac64efed456626b720b6ff5c174a4 (MD5) Previous issue date: 2015-03-31 / The sensors devices obtained a great evolution in recent years, primarily due to the advancement of manufacturing techniques of electronic devices. And with the evolution of wireless communications techniques, it has been possible to implement wireless sensor networks in numerous types of applications. One of the biggest issues concerning these systems is their limited energy supply during eld operation. The sensors forming such network possess little capacity to store energy, this is due to their need to be reduced in size. Anyhow, the area occupied by the power supply system in many designs is responsible for about 50% of the device`s total area. In this context, this work presents two contributions regarding energy consumption in wireless sensor networks when applied to critical systems, ie where environmental variation can cause injury, danger or tragedy to humanity. First, this dissertation presents an energy model for measuring the e ectiveness of the medium access protocol that will be the second purpose of this dissertation. This protocol aims to add exibility to the frequency of collection of environmental information, which in turn is based on Time Division Multiple Access (TDMA). In this way energy consumption can be reduced and consequently the system`s lifetime is increased. / A tecnologia associada a nodos sensores passou por uma grande evolu??o nos ultimos anos, principalmente devido ao avan?o nas t?cnicas de fabrica??o de dispositivos eletr?nicos. Esse fato, em conjunto com a evolu??o da tecnologia de comunica??es sem fio, tornou poss?vel o uso de Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) nos mais diversos tipos de aplica??es. Apesar de vantagens tais como capacidade de monitorar zonas de dif?cil acesso, o uso de RSSF em determinados tipos de aplica??es pode ser invi?vel devido fundamentalmente a restri??es associadas ao fornecimento de energia. Basicamente, devido a usual baixa capacidade de armazenamento das baterias presentes nos nodos sensores; a vida util da rede passa a ser afetada. Em muitas implementa??es a area ocupada pelo m?dulo de fornecimento de energia chega a ocupar aproximadamente 50% da area total do nodo. Outro ponto importante a ser salientado e que al?m de uma unidade de bateria, o fato da rede ser usualmente utilizada para monitorar regi?es de dif?cil acesso, faze com que a substitui??o das mesmas seja totalmente invi?vel. Neste contexto, este trabalho prop?e duas contribui??es que visam de alguma forma maximizar o tempo de vida util dos nodos presentes em uma RSSF quando aplicada em sistemas cr?ticos, onde a varia??o do ambiente pode causar algum preju?zo ou mesmo perigo a humanidade. Em um primeiro momento, esta disserta??o de mestrado prop?e um modelo energ?tico para mensurar a efici?ncia do protocolo de acesso ao meio. Em um segundo momento, desta disserta??o de mestrado, tem como objetivo desenvolver um novo protocolo de acesso ao meio baseado na flexibiliza??o da frequ?ncia de coleta de informa??es do ambiente. Essa flexibiliza??o ser? implementada baseada na ideia de Time Division Multiple Access (TDMA). Desta forma, ser? poss?vel reduzir o consumo de energia e consequentemente, aumentar a vida util do sistema como um todo.