A aplicação de redes sem fio vem crescendo consideravelmente nos últimos anos. Protocolos baseados nesta tecnologia estão sendo desenvolvidos para uma grande variedade de aplicações. A confiabilidade é um dos principais requisitos dos protocolos de comunicação nos ambientes industriais. Interferências, ambiente ruidoso e o grande risco das aplicações industriais que são monitoradas são fatores que elevam os níveis de exigência no que se refere à confiabilidade, redundância e segurança do protocolo. O protocolo WirelessHART é um padrão de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para monitoramento e controle de processos com os requisitos necessários para ser utilizado em ambientes industriais. A norma do WirelessHART define diversos aspectos técnicos a serem utilizados no desenvolvimento de algoritmos. Os algoritmos de roteamento e escalonamento de mensagens são de grande relevância para o cumprimento dos requisitos temporais, de confiabilidade e segurança. Requisitos de roteamento e escalonamento são especificados, porém, os algoritmos a serem utilizados não são definidos. O objetivo nessa dissertação é analisar alguns dos principais algoritmos que tem sido propostos especificamente para o protocolo WirelessHART e apresentar um conjunto capaz de ser aplicado nesse protocolo. Análises e comparações entre os algoritmos são realizadas proporcionando um estudo aprofundado sobre seus impactos no desempenho do protocolo. / The application of wireless networks has grown considerably in recent years. Protocols based on this technology are being developed for a great variety of applications. Reliability is one of the main requirements for communication protocols in industrial environments. Interferences, noisy environment and high risk processes that are monitored are factors that increase the levels of requirements in terms of reliability, redundancy and security of the protocol. The WirelessHART protocol is a wireless communication standard specifically designed for process monitoring and control applications with the necessary requirements for to be used in industrial environments. The WirelessHART standard defines several technical aspects to be used in the development of the algorithms. The algorithms of routing and scheduling messages are highly relevant to meeting the timing requirements of reliability and safety. Routing and scheduling strategies are specified, however, the routing and scheduling algorithms are not defined for use. The goal of this dissertation is to analyze some of the main algorithms that have been proposed specifically for the WirelessHART protocol and to present a set able to be applied in this protocol. Analyzes and comparisons between algorithms are realized by providing a detailed study of their impacts on the protocol performance.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-01-27T17:41:03Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AlgoritmoSleepMode.pdf: 1544032 bytes, checksum: f8b4ae8a434371d60fab4dac15eef84f (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-01-30T14:11:21Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AlgoritmoSleepMode.pdf: 1544032 bytes, checksum: f8b4ae8a434371d60fab4dac15eef84f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-30T14:11:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AlgoritmoSleepMode.pdf: 1544032 bytes, checksum: f8b4ae8a434371d60fab4dac15eef84f (MD5) Previous issue date: 2015-09-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho realiza um minucioso estudo dos ganhos da conectividade dual em redes Long Term Evolution (LTE) e propõe um algoritmo de "sleep mode" que potencializa a eficiência da rede neste contexto. Dentre os algoritmos de "sleep mode" em conectiviclade dual da literatura, nenhum realiza abordagem envolvendo a capacidade do "backhaul" das "small cells" para a decisão da ativação das mesmas. A carência de um processo de "sleep mode" que possa abranger o "backhaul" pode resultar em gargalos na rede, maior latência e perda de pacotes. Dessa forma, o algoritmo proposto lança luz a um aspecto relevante na conjuntura de redes LTE, além de quantificar os benefícios advindos não apenas do uso do algoritmo, mas da conectiviclade dual em si. Para a análise destes benefícios, o estudo foi elaborado a partir de diversas simulações feitas no "software" Riverbect Modeler, embasadas em parâmetros do 3rd Generation Partnership Project (3GPP) e artigos atuais da área. Os resultados das simulações atestam que menores níveis de atraso podem ser alcançados com a conectiviclade dual, e ainda potencializados com o uso do algoritmo proposto, que contribui para o uso mais eficiente dos recursos da rede também do ponto de vista energético. Além destes ganhos, são analisados resultados em relação ao tráfego no "backhaul" tanto das "small cells" quanto do núcleo da rede. O conjunto destes resultados aponta diversas vantagens do uso de conectividade dual e do algoritmo proposto neste trabalho, em redes LTE. / This work presents the analysis of the benefits of dual connectivity in Long Term Evo- lution (LTE) networks, and proposes a sleep mode algorithm in order to increase even more the network efficiency. Among the sleep mode algorithms for dual connectivity in literature, none makes an approach regarding the small cells backhaul capacity for the activation decision of these small cells. The lack of an appropriate sleep mode process that takes backhaul issues into consideration can lead to network bottlenecks, greater latency and packet drops. For this reason, the algorithm highlights relevant aspects in LTE networks, and quantifies the benefits obtained not only by the use of the algorithm but also by the use of the dual connectivity itself. To accomplish this goal, several simulations were performed with the software Riverbed Mode- ler, based on 3rd Generation Partnership Project (3GPP) parameters and papers from this area. The simulation results show that lower delay levels can be achieved with the use of dual con- nectivity, and even lower results can be obtained with the use of the proposed algorithm, which also contributes to a more energy efficient usage of network resources. Furthermore, results regarding backhaul traffic in the core network and among small cells are also analyzed. The results, in general, show several advantages of dual connectivity and the proposed algorithm in LTE networks.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-06-05T13:24:22Z No. of bitstreams: 1 DANILO FREIRE DE SOUZA SANTOS - TESE (PPGCC) 2016.pdf: 5841474 bytes, checksum: ce59e0fd3d574e6d3b893f98154075e4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-05T13:24:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DANILO FREIRE DE SOUZA SANTOS - TESE (PPGCC) 2016.pdf: 5841474 bytes, checksum: ce59e0fd3d574e6d3b893f98154075e4 (MD5) Previous issue date: 2016 / Capes / O cenário introduzido pela Internet das Coisas potencializa a criação de um novo conjunto de aplicações e serviços, onde diversos dispositivos interagem entre si através da Internet. Esse cenário viabiliza o advento de novas tecnologias de transmissão sem fio de baixo consumo, como o Bluetooth Low-Energy (BLE), as quais viabilizam a criação de redes pessoais (PAN) sem fio. Em paralelo, com a crescente disponibilidade de Dispositivos Pessoais de Saúde com capacidade de comunicação, um cenário onde informações de saúde podem ser disponibilizadas na Internet surge, viabilizando a criação de sistemas de Saúde Conectada. Entretanto, ao viabilizar a criação de redes PAN interconectando diversos dispositivos, a Qualidade de Serviço na rede necessária para o correto funcionamento desses dispositivos de saúde pode ser afetada, dado que redes PAN BLE não oferecem mecanismos para a diferenciação da Qualidade de Serviço entre os dispositivos conectados. Considerando esse contexto de compartilhamento de uma rede PAN entre diversos dispositivos, nesse trabalho propõe-se uma abordagem para o controle do fluxo adaptativo em Gateways BLE utilizando um mecanismo de distribuição de créditos temporal entre os clientes de uma rede PAN. Para essa priorização, informações fornecidas por aplicações são utilizadas para a distribuição e configuração dos parâmetros de conectividade dos dispositivos da rede PAN. Também são apresentados detalhes sobre o projeto e evolução arquitetural do controlador adaptativo, detalhando suas características de controle de fluxo com prioridade temporal. São apresentados resultados experimentais do funcionamento do controlador adaptativo em diferentes cenários. Esses resultados demonstram que o mesmo é capaz de garantir a Qualidade de Serviço de rede necessária para dispositivos específicos em um ambiente compartilhado. Para a validação desse trabalho em um cenário mais amplo, é apresentada uma arquitetura para Sistemas de Monitoramento Remoto de Pacientes padronizado para a Internet das Coisas. Esse sistema serve como base para a implantação e avaliação experimental do controlador de fluxo adaptativo em um Smart-Gateways BLE, onde informações de serviços e aplicações em saúde são utilizadas para priorizar Dispositivos Pessoais de Saúde a depender do seu contexto de uso. / The Internet of Things paradigm enables a new set of applications and services to be available in the Internet. This scenario makes possible the development of new low-power communication technologies, such asBluetooth Low-Energy (BLE), which creates wireless Personal Area Networks (PAN). At the same time, the rising availability of Personal Health Devices (PHD) capable of PAN communication and the desire of keeping a high quality of live are the ingredients of the Connected Health vision. However, as the number of PHDs increase, the number of other peripherals connected in the PAN also increases. Therefore, PHDs are now competing for medium access with other devices, decreasing the network Quality of Service of health applications in the BLE PAN, as these networks do not guarantee Quality of Service requirements for connected devices. In this context, where a BLEPAN is shared with multiple devices, it is where this work is immersed. In this work is presented an approach for adaptive flow-control of BLE Gateways using a temporal credit distribution mechanism between clients in a PAN. For this distribution, application context information is used for network prioritization and parameter configuration of PAN devices. In this work is detailed how the adaptive flow-control was designed and how was its architectural evolution, detailing how its temporal mechanism works. Experimental results are presented showing the controller behavior in different scenarios. These results show that using the proposed approach it is possible to guarantee Quality of Service requirements for target devices using a prioritization process in a shared medium. In order to validate this work in a broad scenario, it is also presented a standard-based Remote Patient Monitoring System architecture for the Internet of Things. This system is used as base infrastructure for prioritization of PHDs connections based on their state and requirements by the use of a Smart BLE Gateway. An implementation was developed showing the relevance of the problem and how a BLE adaptive controller can assist in the prioritization of devices in the context of healthcare services and applications.

Uma Rede Móvel Ad Hoc (MANET) consiste em uma coleção de terminais que possuem uma interface de transmissão e recepção sem fio (wireless) e que se movimentam em uma determinada área de abrangência. Geralmente esses terminais fazem uso de freqüências de rádio nas comunicações e configuram uma rede não infraestruturada. As MANETs, também conhecidas como independentes, não necessitam de qualquer infra-estrutura pré-existente para prover comunicação entre os nós, contudo, são utilizadas, principalmente quando integradas à Internet. Essa integração, apesar de possível, normalmente necessita de um gateway que encaminhe os pacotes entre as redes de computadores, respeitando as suas características individuais. Problemas, assim como atrasos e perdas de pacotes, podem ser provocados pelas diferenças intríncias aos protocolos de roteamento. Embora o Internet Engineering Task Force (IETF) proponha diversos protocolos de roteamento para as MANETs, o presente trabalho investiga o protocolo de roteamento Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV), por ser considerado um dos protocolos mais implementados e estudados pelo grupo de trabalho do IETF. O nodo gateway, embora já esteja implementado no protocolo de roteamento AODV (HAMIDIAN, 2003), deve ser capaz de interagir com as funções de roteamento da Internet, trocando tráfego com a mesma, de modo transparente e eficiente. O protocolo AODV, por ser reativo, pode demorar até 0,05 segundos para estabelecer uma rota entre um nodo origem e um nodo destino. Nos padrões atuais esse tempo pode ser considerado exageradamente alto, gerando gargalos entre sub-redes, descarte de pacotes e baixa eficiência. O presente trabalho apresenta uma proposta de customização do protocolo de roteamento AODV com atuação restrita ao nodo gateway. Esta customização consiste na adição de uma métrica de confiabilidade no processo de descoberta e utilização de rotas visando a redução no número de pacotes descartados e um ganho de eficiência no fluxo de dados entre as sub-redes envolvidas. / A Mobile Ad Hoc Network (MANET) consists of a collection of mobile hosts, moving in certain range area, that has a wireless interface for transmission and receiving data. Usually these terminals make use of radio frequencies in communications and configure a non infrastructured network. The MANETs, also known as independent, require no pre-existing infrastructure to provide communication between network mobile nodes, however, are used, preferably when integrated with the Internet. This integration, although possible, usually need a gateway that forwards packets between both computer networks, keeping their individual characteristics. Problems such as delays and packet losses can be caused by differences inherent in the routing protocols. Although the Internet Engineering Task Force (IETF) proposes several routing protocols for MANETs, this paper investigates the Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) routing protocol, viewed as one of more implemented and studied protocol by the IETF work group. The gateway node, which is already implemented in the AODV routing protocol (Hamidian, 2003), should be able to interact, transparently and efficiently, with the Internet routing functions exchanging traffic between them. The AODV protocol, being reactive, can take up to 0.05 seconds to establish a route between a source node and a destination node. By today's standards this time may be considered excessively high, creating bottlenecks between subnets, packet drop and low efficiency. This paper proposes an AODV routing protocol customization restricted to the gateway node activities. This customization consists of adding reliability metric in the route discovery process and its consequent use in order to reduce the number of dropped packets and get increased efficiency in the data flow between the subnets involved.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.

Os sistemas de comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais espaço no cenário das comunicações digitais. Em relação aos tradicionais sistemas cabeados, as tecnologias de comunicação sem fio evitam a necessidade de infraestruturas de alto custo, tornam a rede mais flexível, trazem facilidades de reconfiguração e a portabilidade para terminais móveis. Com o crescimento e aprimoramento nos usos das redes de automação novas soluções de comunicação estão surgindo entre elas sistemas de comunicação sem fio que possam ser confiáveis e para aplicações em ambientes mais críticos. Em paralelo o espectro de frequência tem sido cada vez mais ocupado devido à grande demanda, especialmente a faixa de espectro não licenciada. A faixa de frequência de 2.4 GHz (ISM), por exemplo, tem sido vastamente explorada e deve ser atualmente a mais utilizada no mundo, especialmente pela aplicação das grandes redes de comunicação como a world wide web. Este trabalho aborda um estudo sobre coexistência do primeiro protocolo certificado para comunicação sem fio aplicado à indústria, o WirelessHART. É apresentada uma visão geral do protocolo, os diferentes mecanismos de coexistência propostos no padrão e ainda um conjunto de ferramentas desenvolvidas para a análise de desempenho do protocolo WirelessHART. Os estudos de caso utilizam os padrões IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 e o próprio WirelessHART, sendo aplicados a análises experimentais estando presentes condições reais de propagação de sinais de rádio frequência, as quais são muitas vezes simplificadas nos tradicionais trabalhos em ambientes simulados. / Wireless communication systems are gaining more space in digital communications area. Compared to traditional wired systems, wireless communication technologies avoid the need for costly infrastructure, making the networks more flexible, improving portability and allowing an easier reconfiguration of mobile terminals. With the growth and improvement in the use of automation networks, new solutions are emerging in the communication systems, including reliable wireless communication for applications in critical environments. In parallel the frequency spectrum has become increasingly busy due to high demand, especially the unlicensed spectrum band. The frequency range of 2.4 GHz (ISM), for example, has been widely explored worldwide, especially by the application of large communication networks such as the world wide web. This work discusses a study on coexistence of the first certified industrial wireless communication protocol, the WirelessHART. It presents an overview of the protocol, the different coexistence mechanisms proposed in the standard and also a set of tools developed for the performance and coexistence analysis of WirelessHART. Case studies assessing the impact of IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 as well as of other WirelessHART networks experimentally are presented, on which real conditions of propagation of radio frequency signals, which are often simplified in traditional work in simulated environments, are evaluated. Obtained results indicated the adequacy of WirelessHart for industrial applications.

As redes de sensores sem fio (wsns) têm ganhado cada vez mais espaço no monitoramento e controle de processos na indústria. Dentro destas redes, os dispositivos são alimentados por baterias, e a comunicação é feita por radiofrequência. Por conta disto, os rádios dos dispositivos são responsáveis por consumir boa parte da energia armazenada nas suas baterias, e a comunicação dos dispositivos está sujeita à interferência provinda de outras redes e do maquinário industrial. Para sanar estes problemas podem ser empregadas técnicas de controle de potência de transmissão (cpt). Existem diversas técnicas de cpt na literatura, visando os mais diversos objetivos, desde economia de energia e redução de interferência, até controle da topologia da rede. Este trabalho apresenta uma proposta de emprego de (cpt) em uma rede de sensores sem fio através da utilização de controladores proporcionais-integrais (pi). Juntamente com a técnica proposta, são apresentados um procedimento para projeto dos controladores e alguns algoritmos desenvolvidos para o caso ideal e para os casos com saturação dos níveis de potência disponíveis. Este trabalho se diferencia dos trabalhos encontrados na literatura por apresentar uma técnica de controle linear e que depende apenas de informações já disponíveis em cada dispositivo cuja potência será ajustada. Deste modo, esta técnica pode ser empregada em conjunto com protocolos industriais mais restritivos quanto às informações que podem ser trocadas nas mensagens. Além disso, esta técnica reduz ainda mais o consumo e a interferência por evitar transmissões desnecessárias. A proposta apresentada foi validada através de simulações e de um experimento com dispositivos WirelessHART reais, apresentando bons resultados e provando que é possível controlar a potência sem a necessidade das informações extras. / Wireless sensor networks (wsns) are being increasingly adopted in monitor and control tasks in the industry. The devices within these networks are battery-powered, and they communicate through radio frequency. Therefore the radios of the devices account for the most of the consumption of the energy stored in the batteries, and the devices’ communication is subject to interference from other networks and industrial machinery. Transmission power control (tpc) techniques can be employed to cope with these problems. There are several tpc techniques in the literature, aiming at a wide range of objectives, from energy saving and interference reduction, to network topology control. This work presents the proposal of a (tpc) technique in a wireless sensor network that works by employing proportional-integral (pi) controllers. Besides the technique itself, a procedure is presented to design the controllers along some algorithms developed to the ideal case, and the case when there is saturation in the available power levels. This work, unlike the other works found in the literature, presents a linear technique that depends only on information that is already available in each device whose power needs to be adjusted. Therefore, the proposed technique can be employed together with more restrictive industrial protocols that limit the information that can be exchanged in the messages. Besides, it further reduces the power consumption and the interference by avoiding unnecessary transmissions. The proposal was validated through simulations and an experiment using real WirelessHART devices, presenting good results and proving that it is possible to adjust the transmission power without necessarily using the extra information.

O atual modelo de alocação espectral implementado pelas autoridades governamentais somado à crescente demanda por recursos imposta pela implementação de modernas aplicações e serviços de rede irá resultar em um problema relacionado à escassez de recursos em um futuro próximo. Lidar com este problema demanda esforços no sentido de melhorar a alocação de recursos. Uma das maneiras de atingir este tipo de melhoria é permitir o compartilhamento de recursos entre operadores em redes homogêneas e heterogêneas que podem implementar diferentes tecnologias, como a utilização coletiva do espectro e de recursos licenciados. Diversos trabalhos relacionados à esta pesquisa foram propostos. Entretanto, estes trabalhos geralmente identificam a necessidade de obter recursos adicionais, porém buscam por esses recursos sem levar em conta os requisitos de qualidade de serviço e o custo envolvido no compartilhamento desses recursos. Considerando esse contexto, nesta tese, uma nova arquitetura é proposta para permitir a implementação do compartilhamento de recursos e para encorajar operadores a alugarem recursos sobressalentes levando em conta o custo e a qualidade de serviço oferecida. Esta abordagem permite que operadores tenha ganhos com o aluguel dos recursos, ao mesmo tempo em que o cliente recebe serviços com maior qualidade. As principais contribuições da arquitetura proposta incluem o projeto de um controlador de recursos para coordenar o processo de compartilhamento. Esse controlador busca estabelecer contratos de serviço dinâmicos levando em conta a qualidade de serviço requerida. Para tanto, é necessária a troca de informações que, no caso da arquitetura proposta, é mantida baixa para evitar que a rede seja sobrecarregada e acabe interferindo com o tráfego de dados. Além disso, a solução proposta é capaz de tomar decisões rápidas sobre a alocação de recursos, o que permite o redirecionamento do tráfego sem que ocorram interferências com os demais usuários. A arquitetura proposta é modela analiticamente e simulada com o auxílio da ferramenta Matlab. O desempenho da proposta é medido em três diferentes cenários, considerando tanto redes homogêneas, quanto heterogêneas. A sobrecarga gerada pela troca de informações de controle corresponde a menos de 1% do tráfego total da rede, o que é desprezível do ponto de vista da interferência com o tráfego de dados. As decisões rápidas tomadas pela arquitetura são baseadas na previsão acurada do tráfego futuro da rede e permitem o redirecionamento do tráfego para outras redes em um tempo até 46% abaixo do limite máximo especificado na literatura para este tipo de redirecionamento. Os resultados mostram ainda que as métricas de atraso e variação do atraso também são mantidas abaixo dos limites especificados, o que indica que a qualidade de serviço é garantida nos cenários avaliados. / The static model currently applied by governmental authorities for allocating the spectrum of frequencies and the increasing demand for network resources imposed by modern applications and services may lead to a resources scarcity problem in the near future. Dealing with this problem demands improvements on resources allocation. One of the ways of providing such improvements is by allowing resources sharing among network operators in both homogeneous and heterogeneous network scenarios. These network operators may implement different technologies, such as collective use of spectrum and licensed shared access to the spectrum of frequencies. Many related works have been proposed in the same context of the presented research, however these related works generally identify the need for additional resources and search for available resources without taking into account the QoS requirements of the resources renter and the costs involved in the resources sharing initiative. Therefore, in this thesis, a novel architecture is proposed to facilitate the implementation of resources sharing and consequently encourage network operators to lease their underutilized resources taking into account both the cost and the QoS requirements. This approach allows the network operator which is serving the resources to improve its profits at the same time that allows quality of service improvements to the resources renter. The main contributions of the proposed architecture include but are not limited to the design of a multilevel resources broker to control the resources sharing process. This broker is concerned on dynamically establishing a service level agreement that takes into account the quality of service requirements of resources renter. This process focuses on exchanging a small amount of control information to prevent the overhead from interfering with the legitimate traffic of the network operators. Another important contribution of the proposed approach is to improve the resources allocation in comparison with related work. Furthermore, the proposed solution is capable of taking fast decisions regarding resources allocation, what leads to the implementation of fast handover, allowing the traffic steering without interfering with incumbent users. The proposed architecture is modeled analytically and simulated using Matlab to evaluate its behavior in three different scenarios, considering both homogeneous and heterogeneous networks. The overhead in practical operation scenarios is kept under 1% of the total network traffic, what is considered not to interfere with the transmissions of the network operators. The fast decisions taken by the resources sharing architecture are based on accurate traffic load forecasting, what leads to fast handover, attaining times up to 46% lower than the maximum allowed handover duration. Results also show that both delay and jitter metrics are controlled to be maintained below their specific thresholds of the analyzed applications and therefore, the QoS is guaranteed for the resources renter, considering the coexistence of up to 500 devices.

Redes de sensores sem fio tem ganhado grande destaque em diferentes aplicações, tais como, domésticas, comercial e industrial, trazendo mais flexibilidade e mais conveniência em nossas vidas. Entretanto, seu desempenho é influenciado por diversos fatores como, por exemplo, características do ambiente de propagação das ondas de rádio e outras tecnologias de comunicação sem fio que podem coexistir em uma mesma área de cobertura. Os recursos utilizados nas comunicações sem fio são limitados e muitas vezes não exclusivos possibilitando interferências provenientes de diferentes tipos de fontes. O presente trabalho busca soluções para o uso mais eficiente dos recursos da rede de comunicação sem fio, são investigados e propostos métodos adaptativos para uma rede sem fio industrial, o protocolo WirelessHART, utilizando mecanismos dinâmicos de sensoriamento de espectro e seleção de canal entre os dispositivos da rede. É apresentado uma arquitetura de gerenciamento do espectro em conformidade com o protocolo, baseado em sensoriamento do espectro distribuído e no monitoramento do desempenho das comunicações. A arquitetura utilizada permite a classificação de um conjunto de canais específicos entre os pares de dispositivos durante a operação da rede de comunicação. O trabalho demonstra o desempenho dos mecanismos desenvolvidos para a detecção de interferências com redes do tipo IEEE 802.11. / Wireless sensor networks have been expanding rapidly in many applications for different areas such as residential, office and industrial. Wireless connections bring many advantages as installation feasibility, scalability, mobility and reduce infrastructure costs. However, wireless network performance is affected by many factors as, for example, environment characteristics and other wireless communication technologies at the same coverage area. The wireless communication resources are limited and many times shared, allowing interferences from different kind of electromagnetic sources. This work presents a solution for an efficient use of the wireless communication network resources, investigate and propose adaptive methods for an industrial wireless network, the WirelessHART protocol, using dynamic mechanisms of spectrum sensing and channel selection between the devices. A protocol spectrum management architecture based on distributed sensing and monitoring of communications performance is presented, in compliance with WirelessHART protocol, allowing the classification of a set of specific channels between peer devices during the communication network’s operation. Also, it is presented the channel selection performance for IEEE 802.11 interference.