Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-02-29T21:40:50Z No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-03-01T20:21:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-01T20:21:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TaniroChaconRodrigues_TESE.pdf: 4412533 bytes, checksum: 500008d61dae88370bb6936adea4e788 (MD5) Previous issue date: 2015-03-30 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Redes de Sensores e Atuadores sem Fio (RSASF) s?o um dos principais componentes de Sistemas de Computa??o Ub?qua e possuem aplica??es em diferentes dom?nios do conhecimento humano. Devido ? complexidade de programar para este tipo de rede, ? necess?rio que os desenvolvedores conhe?am especificidades das plataformas de sensores dispon?veis, aumentando a curva de aprendizado para o desenvolvimento de aplica??es. Neste trabalho, ? proposta uma abordagem de Desenvolvimento Dirigido a Modelos, mais especificamente, baseada em Arquitetura Dirigida a Modelos (MDA, do ingl?s Model-Driven Architecture), para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF chamada de ArchWiSeN. Essa abordagem visa facilitar a tarefa dos desenvolvedores, atrav?s de: (i) uma linguagem espec?fica de dom?nio para RSASF; (ii) um processo para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF; e (iii) uma infraestrutura de software composta de artefatos MDA (PIM, PSM e transforma??es) para dar suporte a este processo. A ArchWiSeN permite a contribui??o direta dos especialistas de dom?nio no desenvolvimento de aplica??es para RSASF, sem a necessidade de conhecimento espec?fico de programa??o nessas redes, e, ao mesmo tempo, permite que especialistas em redes foquem nas caracter?sticas da sua ?rea de especialidade sem a necessidade de conhecimento do dom?nio da aplica??o. Al?m disso, a ArchWiSeN tem como objetivo permitir que os desenvolvedores possam expressar e validar, em tempo de projeto, os requisitos funcionais e n?o funcionais (requisitos de desempenho) de suas aplica??es, incorporar servi?os oferecidos por plataformas de middleware para RSASF e promover o re?so dos artefatos de software desenvolvidos. Dessa forma, prop?e-se nesta Tese uma abordagem que compreende todas as etapas de desenvolvimento para RSASF nos cen?rios atuais e emergentes atrav?s de uma infraestrutura MDA. Por fim, foram realizadas avalia??es atrav?s de: (i) uma prova de conceito, composta de tr?s cen?rios distintos, realizada atrav?s da infraestrutura MDA e do processo de engenharia de aplica??o; (ii) execu??o de um experimento controlado para comparar a ArchWiSeN com os m?todos tradicionais para o desenvolvimento de aplica??es para RSASF; (iii) an?lise do suporte a servi?os de middleware para garantir que aplica??es para RSASF que utilizam tais servi?os possam atingir os seus requisitos atrav?s do uso das plataformas de middleware suportadas na ArchWiSeN; e (iv) an?lise sistem?tica da ArchWiSeN em termos de caracter?sticas desejadas para uma ferramenta MDA al?m da compara??o com outras ferramentas MDA para RSASF existentes. / Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) are a key component in Ubiquitous Computing Systems and have many applications in different knowledge domains. Programming for such networks is very hard and requires developers to know the available sensor platforms specificities, increasing the learning curve for developing WSAN applications. In this work, an MDA (Model-Driven Architecture) approach for WSAN applications development called ArchWiSeN is proposed. The goal of such approach is to facilitate the development task by providing: (i) A WSAN domain-specific language, (ii) a methodology for WSAN application development; and (iii) an MDA infrastructure composed of several software artifacts (PIM, PSMs and transformations). ArchWiSeN allows the direct contribution of domain experts in the WSAN application development without the need of specialized knowledge on WSAN platforms and, at the same time, allows network experts to manage the application requirements without the need for specific knowledge of the application domain. Furthermore, this approach also aims to enable developers to express and validate functional and non-functional requirements of the application, incorporate services offered by WSAN middleware platforms and promote reuse of the developed software artifacts. In this sense, this Thesis proposes an approach that includes all WSAN development stages for current and emerging scenarios through the proposed MDA infrastructure. An evaluation of the proposal was performed by: (i) a proof of concept encompassing three different scenarios performed with the usage of the MDA infrastructure to describe the WSAN development process using the application engineering process, (ii) a controlled experiment to assess the use of the proposed approach compared to traditional method of WSAN application development, (iii) the analysis of ArchWiSeN support of middleware services to ensure that WSAN applications using such services can achieve their requirements ; and (iv) systematic analysis of ArchWiSeN in terms of desired characteristics for MDA tool when compared with other existing MDA tools for WSAN.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Wireless sensor and actuator networks are expected to grow quickly in size due to the decreasing cost of nodes. For such large scale networks, the geographic routing algorithm is a suitable approach. It finds a route for the packet based on the positions of the nodes. However, it often finds longer routes than the shortest possible ones, increasing the probability of packet loss. Moreover, the low cost wireless devices usually operate in the unlicensed bands, which is a crowded portion of the spectrum where several networks may be operating. Furthermore, the expected increase in the network density will also increase the competition for the wireless channel. Thus, intra and inter-network interferences play a major role in the reliability of the communication. In order to increase it, communication over multiple channels can be used. It exploits the capability of the radios that equip the nodes to be tuned over different frequencies. However, the number of available channels is limited in practice. Therefore, an allocation protocol must employ the channels eficiently. However, it was shown that to find an optimal allocation is NP-hard. Thus, one can use game theory to design a protocol that sub-optimally assigns channels in a distributed way. Game theory allows to model the problem as a game, where nodes are players and channels are their actions. According to the actions played, every node receives a payoff. The task of the protocol designer is to assign to every player a payoff function and a learning algorithm. This algorithm allows a player to play accordingly its observations of the game in order to maximize its payoff. If the designed game is potential, the algorithm can be used such that repeated playing converge to a steady state, known as Nash Equilibrium (NE). In a NE, no player can be better of by switching its current action and its received payoff can be bounded by a constant factor of the optimal payoff. By following such approach, a protocol called GBCA has been proposed, which allocates channels by exploiting topology and routing information. However, GBCA was designed for networks where routes are known in advance and static during a relatively long time. Geographic routing, by the other hand, finds the route for every packet on-demand. Therefore, in order to apply GBCA in networks that use geographic routing, this thesis proposes suitable modifications to the payoff functions. Using this modified protocol, which is called GBCA-G, it is shown, by simulations, the improvement of the network perfomance according to the metrics of delivery ratio, average delay and average number of trials per successfull transmission. / Espera-se que as redes de sensores e atuadores sem fio cresçam rapidamente em tamanho devido à contínua redução de custo dos dispositivos. Para tais redes de larga escala, os algoritmos de roteamento geográfico são adequados. Estes encontram a rota com base nas posições dos nós. Contudo, geralmente as rotas encontradas são mais longas do que as rotas possíveis, aumentando a probabilidade de perda do pacote. Ademais, os dispositivos sem fio de baixo custo operam nas faixas livres do espectro e estão sujeitos a interferências causadas por outras redes que operam nessas mesmas faixas. Ainda, com o aumento da densidade da rede, aumenta também a competição pelo canal. Portanto, tanto interferências internas quanto externas prejudicam a confiabilidade da comunicacão. Para aumentá-la pode-se utilizar múltiplos canais, uma vez que os rádios que equipam os nós podem ser sintonizados em diferentes frequências. Contudo, o número de canais disponíveis é limitado, tornando imperativo um protocolo de alocação eficiente. Porém foi demonstrado que encontrar uma solução ótima é inviável. Por isso, a Teoria dos Jogos pode ser empregada para se encontrar alocações sub-ótimas de forma distribuída. A Teoria dos Jogos permite modelar o problema como um jogo, onde os nós são os jogadores; os canais, suas ações; e conforme suas escolhas, cada não recebe uma recompensa. Um projetista deve definir as funções de recompensa e um algoritmo de aprendizado, que permite ao jogador determinar a ação que maximiza sua recompensa através da observação do jogo. Se o jogo for potencial, o algoritmo pode levá-lo a um equilíbrio, conhecido por Equilíbrio de Nash (NE), após repetidas rodadas. Em um NE, todo jogador estão satisfeito e sua recompensa pode ser limitada por uma constante multiplicativa da máxima recompensa possível. Seguindo esta abordagem, um protocolo denominado GBCA foi proposto na literatura, o qual aloca canais com base na topologia da rede e nas rotas utilizadas. Contudo, o GBCA necessita conhecer as rotas antecipadamente e estas devem ser estáticas. Por outro lado, algoritmos geográficos determinam a rota sob demanda para cada pacote. Portanto, para tornar o GBCA adequado para redes com roteamento geográfico, propõe-se, nesta Tese, modificações ao GBCA. Utilizando-se o protocolo proposto, denominado GBCA-G, demonstra-se, por simulação, que é possível obter resultados melhores quanto à taxa de entrega de pacotes, ao atraso médio de entrega e ao número médio de transmissões efetuadas por transmissão bem-sucedida.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:48:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PriscillaVD_DISSERT.pdf: 2033070 bytes, checksum: 27c8a6f6a0e802c19b0f74553cc6db23 (MD5) Previous issue date: 2012-09-28 / The field of Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) is fast increasing and has attracted the interest of both the research community and the industry because of several factors, such as the applicability of such networks in different application domains (aviation, civil engineering, medicine, and others). Moreover, advances in wireless communication and the reduction of hardware components size also contributed for a fast spread of these networks. However, there are still several challenges and open issues that need to be tackled in order to achieve the full potential of WSAN usage. The development of WSAN systems is one of the most relevant of these challenges considering the number of variables involved in this process. Currently, a broad range of WSAN platforms and low level programming languages are available to build WSAN systems. Thus, developers need to deal with details of different sensor platforms and low-level programming abstractions of sensor operational systems on one hand, and they also need to have specific (high level) knowledge about the distinct application domains, on the other hand. Therefore, in order to decouple the handling of these two different levels of knowledge, making easier the development process of WSAN systems, we propose LWiSSy (Domain Language for Wireless Sensor and Actuator Networks Systems), a domain specific language (DSL) for WSAN. The use of DSLs raises the abstraction level during the programming of systems and modularizes the system building in several steps. Thus, LWiSSy allows the domain experts to directly contribute in the development of WSANs without having knowledge on low level sensor platforms, and network experts to program sensor nodes to meet application requirements without having specific knowledge on the application domain. Additionally, LWiSSy enables the system decomposition in different levels of abstraction according to structural and behavioral features and granularities (network, node group and single node level programming) / As Redes de Sensores e Atuadores Sem Fio (RSASF) v?m emergindo rapidamente e t?m atra?do o interesse da comunidade de pesquisa e da ind?stria, gra?as a v?rios fatores, dentre eles a aplicabilidade desse tipo de rede nos mais diversos dom?nios de aplica??es (avia??o, engenharia civil, medicina, dentre outros). Al?m disso, avan?os na comunica??o sem fio e miniaturiza??o dos componentes de hardware tamb?m contribu?ram para a r?pida prolifera??o dessas redes. Apesar disso, ainda existem alguns desafios a serem transpostos a fim de se atingir o pleno potencial de utiliza??o das RSASF. Dentre estes, o desenvolvimento de sistemas de RSASF aparece como um dos mais relevantes atualmente, haja vista a quantidade de vari?veis envolvidas no processo de desenvolvimento. Atualmente, uma vasta gama de plataformas de RSASF e diversas linguagens de programa??o de baixo n?vel podem ser empregadas no desenvolvimento desses sistemas. Dessa forma, ? necess?rio que o desenvolvedor possua tanto conhecimento de baixo n?vel relativo ? plataforma da RSASF, quanto conhecimento espec?fico do dom?nio de cada uma das aplica??es presentes no sistema. A fim de efetuar o desacoplamento da utiliza??o destes conhecimentos durante o processo de desenvolvimento, de forma a facilitar tal processo, este trabalho prop?e LWiSSy (Domain Language for Wireless Sensor and Actuator Networks Systems), uma linguagem para modelagem de sistemas para RSASF baseada no uso de DSLs (Domain Specific Language). As DSLs, pelo fato de aumentarem o n?vel de abstra??o da programa??o e modularizarem a constru??o de sistemas em v?rias etapas, permitir?o que ambos os especialistas envolvidos (dom?nio e redes) possam contribuir diretamente durante o desenvolvimento do sistema e de maneira mais desacoplada do que ocorre atualmente. Al?m dos benef?cios supracitados, LWiSSy possibilitar? ainda a decomposi??o do sistema em diferentes n?veis de abstra??o, haja vista a necessidade de representar diferentes caracter?sticas (estrutural e comportamental) e granulosidades (programa??o em n?vel de rede, em n?vel de grupos de n?s e em n?vel de n?) em um ?nico sistema