CAPES / Nesta tese são apresentados dois esquemas de comunicação cooperativa para redes cognitivas limitadas pelo máximo nível de interferência aceito na rede licenciada. Os esquemas são avaliados em função da probabilidade de outage, que representa a probabilidade de falha na comunicação. No primeiro esquema, a rede não licenciada é composta por uma fonte, um relay full-duplex dedicado e um destino. Contrastando com trabalhos anteriores, o modelo do sistema considera o enlace direto entre o transmissor e o destino não licenciados como informação útil. A análise apresentada inclui o efeito da interferência da rede licenciada, assim como, a auto-interferência no relay. Um esquema de alocação ótima de potência (OPA) é proposto. A estratégia OPA pode escolher entre dois modos de operação, a cooperação entre a fonte e relay ou transmissão direta da fonte. O esquema OPA proposto possui o melhor desempenho em termos de probabilidade de outage quando comparado com métodos concorrentes. No segundo esquema, o uso de codificação de rede é aplicado em um cenário cognitivo onde múltiplos usuários não licenciados cooperam entre si para enviar mensagens independentes ao destino não licenciado, ou seja, neste cenário não existem nós dedicados à transmissão da informação de um parceiro como no primeiro esquema. Os esquemas codificação de rede dinâmica (DNC) e codificação de rede dinâmica generalizada (GDNC) são avaliados em um cenário cognitivo, considerando um limite máximo de interferência na rede licenciada e uma potência máxima de transmissão para os nós não licenciados. A cooperação com codificação de rede é capaz de aumentar consideravelmente o desempenho da rede não licenciada quando comparado ao esquema decodifica-e-encaminha seletivo (SDF) e à transmissão direta sem cooperação. Adicionalmente, uma expressão analítica é derivada para a capacidade de -outage, sendo esta a máxima taxa de informação obtida pelos usuários não licenciados dada uma probabilidade de outage alvo. No intuito de maximizar a capacidade de -outage do esquema cognitivo GDNC, o número ótimo de pacotes de paridade é encontrado através do algoritmo de Dinkelbach. Uma comparação entre os dois esquemas propostos nesta tese, avaliando o uso de comunicação full-duplex no esquema com codificação de rede, é proposta como um direcionamento para trabalhos futuros. / In this work are presented two schemes of cooperative communication for cognitive radio networks limited by the maximum interference level acceptable at the licensed network. The schemes are evaluated in function of the outage probability, that is the probability of failure in the communication. In the first scheme, the unlicensed network is composed by a source, a dedicated full-duplex relay and a destination. Differently of previous works, the system model considers the direct link between the unlicensed transmitter and destination as useful information. The presented analysis includes the effect of the licensed interference, as well as, the self interference at the relay. Moreover, an optimal power allocation (OPA) scheme is proposed. The OPA strategy can choose between two modes of operation, cooperation between source and relay or source transmission only. The proposed OPA scheme has the best performance, when this is compared with concurrent schemes. In the second scheme, the use of network coding is applied in a cognitive scenario where multiple unlicensed users cooperate to send independent messages to the unlicensed destination, thus, in this scenario there are not dedicated nodes to transmission of partner information as in the first scheme. The dynamic network coding (DNC) and generalized dynamic network coding (GDNC) schemes are evaluated in a cognitive scenario, under a given maximum interference constraint set by the licensed network, as well as, the maximum transmit power limit of the unlicensed sources. The cooperation with network coding can provide significant gains in terms of performance, when compared to non cooperative or selective decode-and-forward (SDF) cooperative techniques. Also, a closed-form equation is obtained for the -outage capacity, which is the maximum information rate achieved by the secondary sources given a target outage probability. In order to maximize the -outage capacity of the cognitive GDNC, the optimum number of parity packets is found through Dinkelbach algorithm. A comparison between the two proposed schemes in this thesis, by analysing the use of full-duplex communication in the scheme with network coding, is proposed as a direction for future works.

Thesis submitted in fulfilment of the requirements for the degree Master of Technology: Electrical Engineering at the Cape Peninsula University of Technology, 2012 / This research project addresses the unique challenges of extensive farming in terms of monitoring and controlling remote equipment or events. Poorly maintained roads and escalating fuel costs increase difficulty of farming and the time spent on physically monitoring remote sites further reduces financial yields. The research showed that there are very few solutions that implement wireless or electronic technology to overcome the challenges associated with these isolated and arid areas and that a low-cost, long range wireless telemetry solution that is easy to use would be beneficial for the extensive farming industry. It was therefore the aim of this project to develop a remote monitoring and controlling solution that implements wireless technology to convey information of activities around the farm utilising electronic means. To be able to successfully develop a wireless telemetry solution that will accurately meet the needs of this specific sector of industry, market research was conducted. To guide the research, the QFD (quality function deployment) process for product development has been implemented. The research consisted out of various aspects including a survey, financial considerations and international comparisons. The research also aided in the understanding of the day-to-day activities and also the physical parameters of extensive farms. Also, currently available technologies and products were evaluated to establish whether similarities exist that will aid in the development of a new product. The development process was based on the results obtained in the market research and resulted in a wireless telemetry solution that overcame all the design challenges and proved to be technically feasible, successfully addressing the application requirements. Zigbee technology was utilized for wireless communication because it provided an off-the-shelf solution with a number of readily available development platforms from various technology providers. A communication range of up to 6 kilometres with a transmitted power of 11dBm was achieved for point-to-point communication and a mesh network topology has been implemented for even longer range and complete coverage on farms. Various types of measurements have been catered for, with custom-designed instrumentation which enabled measurements such as water levels, movement and analogue signals. Also, a basic user interface was developed to enable the user to monitor or control the equipment or events remotely from a personal computer, locally or even over the internet. The results of this research project showed that by carefully selecting available technologies and understanding the application, it is possible to develop a solution that addresses the monitoring and controlling needs associated with extensive farming. The wireless telemetry system that was developed resulted in a saving equal to 10% of the total expenses of the farms per year. The telemetry system is therefore a financially feasible solution with a payback period of less than 1 year and far below the initial estimated budget. Without the need to physically monitoring equipment and events, an increase in productivity and the expansion of the overall enterprise is a further benefit added unto the monetary savings. In addition to the financial benefits of implementing new wireless technology, this is an opportunity to contribute to a cleaner and more sustained future as a legacy for the next generation by reducing the carbon footprint of the farm.

Smart grids representam o futuro das redes elétricas. Estes tipos de redes devem ser robustas a flutuações de carga e devem possuir monitoramento e gerenciamento inteligente e em tempo real. Para que essas demandas sejam possíveis, é preciso uma comunicação de dados de alta velocidade, flexível e de baixo custo. Dentro dessas características, muitos autores propõem a utilização de sistemas de comunicação sem fio, os quais possuem um custo de implantação mais baixo que redes ópticas ou cabeadas, além de possuir flexibilidade para rápidas mudanças de topologia, e não apresentarem barreiras em relação aos padrões e equipamentos, o oposto por exemplo ao caso do sistema PLC (Power Line Communications). Devido à natureza difusora do canal sem fio, segurança nesse tipo de rede é um dos pontos mais críticos, já que um ataque de qualquer natureza pode provocar perturbações e blackouts na rede elétrica, ou gerar problemas de privacidade, na situação em que atacantes passivos (eavesdroppers) interceptam mensagens da rede com o intuito de obter algum tipo de benefício. Esta segunda situação, de ataques passivos, será abordada neste trabalho. Além das tradicionais técnicas de criptografia geralmente utilizadas para aumentar a segurança de redes de comunicação, outra área que vem recentemente despertando interesse da comunidade científica é a área de segurança na camada física, a qual é baseada em conceitos da teoria da informação de Shannon. Neste trabalho, utiliza-se as técnicas de codificação de rede para aumentar a segurança na camada física da parte de múltiplo acesso de uma rede de comunicação sem fio, em que dois transmissores possuem informações independentes para um destino em comum, na presença de um eavesdropper. Utilizando-se a probabilidade de outage com restrições de sigilo como métrica, mostra-se através de resultados analíticos e numéricos que o sigilo pode ser aumentado através da codificação de rede, quando comparada com a transmissão direta e com as técnicas de cooperação tradicionais. / Smart grids represent future of electrical power systems . These kind of networks must be robust to load fluctuations as well as have smart monitoring and intelligent management in real-time fashion . Based on the aforementioned needs, many authors propose the use of wireless communication systems in order to meet these demands, due to their efficient tradeoff between low-cost and high-seed when compared to wired connections such as optical fibens or metallic cables, and, in addition, they are flexible to topology changes and do not have constrainsts in terms of standards and devices, the opposite for example to the case of PLC(Power Line Comminications) .Due to the broadcast nature of the wireless medium , security is onde of the critical issues in smart grids since the occurrence of attacks can lead to load fluctuations and blackouts in the electrical system, or generate secrecy problems, in the situation where passive eaversdroppers intercept messages in the network aiming to obtain some kind of benefit . This second case of passive attacks will be addressed in the work. In addition to classical cryptography strategies commonly used to increase the security in communications systems another area which has been studied by the scientific community is the physical-layer security, which is based on the Shannon’s information theory. In this work, we use the network coding technique as tool to increase the physical-layer in a mulple access wireless network, where two users have independent information to transmit to a common destination, in the presence of an eavesdropper. By using the secrecy outage probability as the metric, we show through theoretic and numerical results that the network security can be increased through the use of network coding when compared to the transmission and traditional cooperative techniques.

A utilização da tecnologia da informação no processo de automatização do trabalho já está instituída. As soluções que automatizam os processos fabris e que suportam a prestação de serviços aumentam a produtividade e tornaram-se imprescindíveis como ativo a ser bem explorado pelas organizações que desejam possuir os diferenciais competitivos essenciais para sobreviver num mercado concorrido. No âmbito do poder público, o processo de automatização também caminha rapidamente e novas ferramentas que agilizam e reduzem os custos da prestação de serviços aos cidadãos são implementadas. O processo eleitoral brasileiro acompanhou a onda da informatização e está totalmente automatizado desde 1998. Todavia, a informatização de eleições é um processo crítico devido aos diversos requisitos relacionados com a segurança do processo. O cenário de um processo eleitoral é composto por um conjunto de interesses, geralmente conflitantes, que devem ser harmonizados em eleições justas e limpas. A informatização traz vantagens relacionadas com a maior agilidade no processo de apuração e divulgação do resultado da eleição, maior economia, maior flexibilidade, possibilidade de correção de erros cometidos no momento da votação, inclusão de pessoas com deficiências, entre outros. Conciliar as dificuldades de implementar os requisitos exigidos em um sistema eleitoral, especificamente aqueles conflitantes e que asseguram a legitimidade das eleições (privacidade do eleitor e a garantia da integridade), para tirar proveito das vantagens que a informatização proporciona, tem sido objeto de pesquisas no meio acadêmico. Neste trabalho é apresentado um projeto para a construção de um protótipo de um dispositivo embarcado que visa aumentar a economicidade do processo eleitoral. O dispositivo destina-se a aperfeiçoar a fase de envio dos arquivos contendo os votos eletrônicos, apurados nas urnas eletrônicas brasileiras, para totalização e obtenção do resultado do pleito. Para melhorar a segurança, o equipamento faz uso de técnicas de criptografia para assegurar que o canal utilizado para transmissão dos resultados é seguro. A maior economia para o processo eleitoral é garantida com um dispositivo portátil, leve, de baixo consumo energético e robusto. Equipamentos menores e portáteis podem reduzir os custos com o processo de aquisição, preparação e envio para os locais de onde os votos eletrônicos serão transmitidos afim de serem totalizados nos sistemas centralizados da Justiça Eleitoral. / The use of information technology to promote the automation of work processes is widely spread. Systems to automate the manufacturing processes and to support services delivery help to improve the productivity and have become an indispensable asset to be exploited by organizations wishing to have the competitive advantages essential to survive in a crowded marketplace. In the context of public sector, the automation process also moves quickly and new tools that streamline and reduce the costs of providing services to citizens are being implemented. The Brazilian electoral process followed the wave of informatization and is fully automated since 1998. However, the informatization of elections is a critical process due to various requirements related to the electoral process security. The scenario of an electoral process is composed of a set of interests, often conflicting, which should be harmonized by fair and clean elections. Computerization has advantages related to greater agility in the process of calculation and disclosure of the outcome of the elections, greater economy, greater flexibility, possibility of correcting errors made at the time of voting, inclusion of people with disabilities, among others. Reconcile the difficulties of implementing the requirements in an electoral system, specifically those conflicting, which shall ensure the legitimacy of the elections (voter privacy and guarantee of the integrity), to take advantage of the benefits that computerization provides, has been subject of academic research. This work presents a project to build a prototype of an embedded device that aims to increase economicity of the Brazilian electoral process. The device is intended to improve the activity of sending files containing the electronic votes, acquired in the Brazilian electronic ballot boxes, for counting and obtaining the result of the election. To improve security, the prototype makes use of encryption techniques to ensure that the channel used for transmission of results is secure. The economy for the electoral process will be guaranteed with a portable, lightweight, low energy consumption and robust device. Portable and smaller equipments can reduce the costs with the acquisition process, preparing and sending to the places where the electronic votes will be transmitted in order to be aggregated in centralized systems. / 5000

CAPES / O conforto e a liberdade de movimentos de pacientes com doenças crônicas e que têm que ser continuamente monitorados é um tema que tem incentivado o desenvolvimento de novas tecnologias como as redes de sensores corporais sem fios (WBAN) e novas áreas de pesquisa como a telemedicina. Além disso, a incorporação de software inteligente que permite simular o raciocínio dos especialistas, auxiliá-los na tomada de decisões e detectar com antecedência condições anormais ou tendência ao desenvolvimento de determinadas doenças, abre um campo ainda maior de pesquisas, como o campo da Inteligência Artificial na Medicina (AIM). O monitoramento de pacientes por meio de equipamentos sem fios, em conjunto com a tecnologia AIM, permite desenvolver soluções práticas para monitorar pacientes sem descuidar de seu conforto. Nesta tese foram pesquisadas técnicas inteligentes para o desenvolvimento de uma aplicação que permita monitorar cinco sinais vitais de pacientes sem que eles precisem usar leitos hospitalares. Em uma primeira etapa, os procedimentos médicos tipicamente usados pelos especialistas para avaliar um paciente foram estudados e transformados em regras para o modelo fuzzy. O modelo fuzzy proposto permite analisar o estado clínico presente do paciente e criar as saídas desejadas (targets) que permitam treinar as redes neurais artificiais. Posteriormente foi desenvolvido um modelo neural que, analisando os dados atuais e saídas anteriores do paciente, permite prever o seu estado clínico futuro próximo. A fim de achar a metodologia mais exata, cinco redes neurais artificiais foram analisadas e comparadas umas às outras. As redes Elman MISO, Elman MIMO, e NNARX – totalmente conectadas e podadas – foram testadas. O modelo fuzzy teve um excelente resultado concordando com as respostas dadas pelos especialistas em 99,76% dos casos. Depois de analisar as redes propostas no conjunto de validação, os resultados revelaram que unicamente a rede NNARX podada pode oferecer a mais alta acurácia de 99,82%, enquanto os outros modelos degradam o seu desempenho em até 35%. As técnicas de parada antecipada para o treinamento junto com a obtenção de valores médios de MSE, FPE e coeficientes de correlação conseguiram obter as melhores topologias de cada tipo de rede, fazendo quase desnecessária a sua poda. As redes NNARX e P-NNARX conseguiram resultados bem melhores que as redes restantes, mas a acurácia na rede P-NNARX observou um aumento de 1,27% em relação à rede NNARX. Como conclusão, pode-se dizer que, para este caso particular, as redes NNARX capturam a essência do sistema dinâmico não linear muito melhor do que as redes Elman. Finalmente, a rede P-NNARX foi a escolhida para a implementação do sistema inteligente proposto nesta tese. A sua acurácia foi de 99,25% para uma predição no tempo (t + d), onde d = 1 segundo, utilizando os dados de 30 novos pacientes. Foram feitas mais provas com periodos de predição maiores e o sistema demostrou uma ligeira diminuição na acurácia, chegando a 94,58% para d = 60 segundos, mas ainda ficando na faixa dos 90%. Os resultados demonstram o alto nível de generalização do sistema e o excelente desempenho na predição dos três estados clínicos do paciente (estável, semiestável e instável). Pretende-se que este sistema inteligente possa ser usado como ferramenta para a medicina preventiva em pacientes crônicos. / The comfort and freedom of movements of patients that have to be continually monitored is a theme that has motivated the development of new technologies such as networks of wireless body sensors (WBAN) and new research areas such as telemedicine. In addition, the incorporation of intelligent software to simulate the reasoning of experts, assist them in decision making and in early detection of abnormal conditions or tendencies to develop certain diseases, opens an even larger field of research, such as the field of Artificial Intelligence in Medicine (AIM beings its acronym in English). Patient monitoring through wireless equipment and AIM technology allows to develop practical solutions to control patients in environments outside of clinics or hospitals. In this thesis, intelligent tools were used for the development of an application that allows monitoring of five vital signs of patients without them being present in a hospital bed. In a first step, typical medical procedures used by specialists for evaluating a patient were studied and transformed into rules for the fuzzy model. The proposed fuzzy model allows the analysis of the current state of the patient to create the desired outputs (targets) that are used to train the artificial neural networks. Then, a neural model was developed which, by analysing current and historic patient data, forecasts patients’ clinical status in the near future. In order to find the most exact methodology, five artificial neural networks were analyzed and compared with each other using thousands of real patient data sets. Elman MISO, Elman MIMO and NNARX – fully connected and pruned – were tested. The fuzzy model answered in a excelent form, agreeing in 99.76% to the answers given by the experts. After analizing the proposed networks in the validation dataset, it was discovered that the pruned NNARX can offer the highest overall accuracy of 99.82%, whereas the others show a decrease of up to 35%. Through techniques such as early stopping for the training with the search of the mean of MSE, FPE and correlation coefficients it was possible to achieve the best topologies of every network type, making their pruning almost unnecessary. The fully connected NNARX and the P-NNARX achieved much better results than other networks, but an increase of 1.27% was observed in the overall accuracy of the pruned network with respect to the NNARX. It can be said that for this particular case, NNARX networks capture the essence of the non-linear dynamic system much better than Elman. Finally, the P-NNARX model was chosen for the implementation of the proposed smart system. Its overall acuracy was of 99.25%, for the prediction time (t + d), with d = 1 second, by using unseen data of 30 new patients. More tests made with longer prediction periods demonstrate a slight decrease in the overall accuracy reaching up to 94.58% for d = 60 seconds. Nevertheless, it still remained over 90%. Results demonstrate the high generalization level of the system and its excellent performance in predicting the three possible patient conditions (stable, semi-stable, unstable). The next step is to turn this intelligent system into an usefull tool for preventive medicine for chronic patients.

CAPES / Neste trabalho é realizada a análise da eficiência energética para algumas redes sem fio de curto alcance, como as redes de sensores sem fio, e algumas redes sem fio de longo alcance, como as redes de telefonia celular. Na análise de sensores sem fio são empregados esquemas de transmissão cooperativos e não-cooperativos, considerando que um canal de retorno pode estar disponível ou não. Para a análise de redes celulares, considera-se o uso de técnicas de transmissão com múltiplas antenas, modelos realistas de consumo de potência, além de um modelo de custos para a análise financeira de diferentes projetos de redes. São consideradas nas análises do desempenho de eficiência energética restrições como uma probabilidade de outage e uma vazão fim-a-fim alvos ao sistema. Os resultados obtidos indicam os esquemas de transmissão e projetos de redes mais eficientes para diferentes condições. Além disso, o planejamento dos direcionamentos para os trabalhos futuros é apresentado. / The energy efficiency analysis for some short-range wireless networks, such as wireless sensor networks, and for some long-range wireless networks, such as cellular networks is performed in this work. For the wireless sensor networks analysis, non-cooperative and cooperative transmission schemes (considering that a return channel is available or not) are employed. Multiple antennas transmission schemes, realistic power consumption models, and a cost model for different system designs are considered for the cellular networks analysis. We consider that the system is under constraints such as a target end-to-end outage probability and a target end-to-throughput. The results show the most efficient transmission schemes and network designs under different system conditions. The future works plans are also detailed.

Investiga-se uma forma de energy harvesting que consiste em recuperar a energia do sinal eletromagnético de rádio frequência (RF), processo que também é conhecido como transferência de energia sem fio. Aplica-se o protocolo time switching (TS) para coordenar o processo de energy harvesting, o qual divide o período de envio de um pacote em dois blocos, o primeiro é dedicado à transferência de energia e o segundo ao envio de informação. A fração do tempo dedicada a cada tarefa, dada pelo parâmetro TS, tem grande impacto no desempenho do sistema. Esta dissertação mostra a investigação do uso do protocolo TS em conjunto com esquemas de retransmissão (HARQ) para o envio da informação. Os resultados mostram que os esquemas HARQ melhoram o desempenho do sistema para a alta relação sinal-ruído (SNR). Essa melhoria é ainda maior quando o destino aplica combinação de Chase entre as diversas cópias do quadro recebido. / We investigate a form of energy harvesting consisting of gathering energy from the radio frequency (RF) electromagnetic waves, also known as wireless power transfer. We employ a time switching (TS) protocol to coordinate the harvesting process, which separates a time slot into two parts, one devoted to wireless energy transfer and the other to wireless information transmission. The fraction of time devoted to each task, the TS parameter, has great impact on the overall performance. This thesis presents an investigation on the usage of the TS protocol, including the numerical optimization of the TS parameter, when hybrid automatic repeat request (HARQ) schemes are used for information transmission. Our results demonstrate that HARQ schemes can improve the system performance for high SNR. This improvement is even better if the destination applies Chase combining among the previously received copies of a frame.

Smart grids representam o futuro das redes elétricas. Estes tipos de redes devem ser robustas a flutuações de carga e devem possuir monitoramento e gerenciamento inteligente e em tempo real. Para que essas demandas sejam possíveis, é preciso uma comunicação de dados de alta velocidade, flexível e de baixo custo. Dentro dessas características, muitos autores propõem a utilização de sistemas de comunicação sem fio, os quais possuem um custo de implantação mais baixo que redes ópticas ou cabeadas, além de possuir flexibilidade para rápidas mudanças de topologia, e não apresentarem barreiras em relação aos padrões e equipamentos, o oposto por exemplo ao caso do sistema PLC (Power Line Communications). Devido à natureza difusora do canal sem fio, segurança nesse tipo de rede é um dos pontos mais críticos, já que um ataque de qualquer natureza pode provocar perturbações e blackouts na rede elétrica, ou gerar problemas de privacidade, na situação em que atacantes passivos (eavesdroppers) interceptam mensagens da rede com o intuito de obter algum tipo de benefício. Esta segunda situação, de ataques passivos, será abordada neste trabalho. Além das tradicionais técnicas de criptografia geralmente utilizadas para aumentar a segurança de redes de comunicação, outra área que vem recentemente despertando interesse da comunidade científica é a área de segurança na camada física, a qual é baseada em conceitos da teoria da informação de Shannon. Neste trabalho, utiliza-se as técnicas de codificação de rede para aumentar a segurança na camada física da parte de múltiplo acesso de uma rede de comunicação sem fio, em que dois transmissores possuem informações independentes para um destino em comum, na presença de um eavesdropper. Utilizando-se a probabilidade de outage com restrições de sigilo como métrica, mostra-se através de resultados analíticos e numéricos que o sigilo pode ser aumentado através da codificação de rede, quando comparada com a transmissão direta e com as técnicas de cooperação tradicionais. / Smart grids represent future of electrical power systems . These kind of networks must be robust to load fluctuations as well as have smart monitoring and intelligent management in real-time fashion . Based on the aforementioned needs, many authors propose the use of wireless communication systems in order to meet these demands, due to their efficient tradeoff between low-cost and high-seed when compared to wired connections such as optical fibens or metallic cables, and, in addition, they are flexible to topology changes and do not have constrainsts in terms of standards and devices, the opposite for example to the case of PLC(Power Line Comminications) .Due to the broadcast nature of the wireless medium , security is onde of the critical issues in smart grids since the occurrence of attacks can lead to load fluctuations and blackouts in the electrical system, or generate secrecy problems, in the situation where passive eaversdroppers intercept messages in the network aiming to obtain some kind of benefit . This second case of passive attacks will be addressed in the work. In addition to classical cryptography strategies commonly used to increase the security in communications systems another area which has been studied by the scientific community is the physical-layer security, which is based on the Shannon’s information theory. In this work, we use the network coding technique as tool to increase the physical-layer in a mulple access wireless network, where two users have independent information to transmit to a common destination, in the presence of an eavesdropper. By using the secrecy outage probability as the metric, we show through theoretic and numerical results that the network security can be increased through the use of network coding when compared to the transmission and traditional cooperative techniques.

A utilização da tecnologia da informação no processo de automatização do trabalho já está instituída. As soluções que automatizam os processos fabris e que suportam a prestação de serviços aumentam a produtividade e tornaram-se imprescindíveis como ativo a ser bem explorado pelas organizações que desejam possuir os diferenciais competitivos essenciais para sobreviver num mercado concorrido. No âmbito do poder público, o processo de automatização também caminha rapidamente e novas ferramentas que agilizam e reduzem os custos da prestação de serviços aos cidadãos são implementadas. O processo eleitoral brasileiro acompanhou a onda da informatização e está totalmente automatizado desde 1998. Todavia, a informatização de eleições é um processo crítico devido aos diversos requisitos relacionados com a segurança do processo. O cenário de um processo eleitoral é composto por um conjunto de interesses, geralmente conflitantes, que devem ser harmonizados em eleições justas e limpas. A informatização traz vantagens relacionadas com a maior agilidade no processo de apuração e divulgação do resultado da eleição, maior economia, maior flexibilidade, possibilidade de correção de erros cometidos no momento da votação, inclusão de pessoas com deficiências, entre outros. Conciliar as dificuldades de implementar os requisitos exigidos em um sistema eleitoral, especificamente aqueles conflitantes e que asseguram a legitimidade das eleições (privacidade do eleitor e a garantia da integridade), para tirar proveito das vantagens que a informatização proporciona, tem sido objeto de pesquisas no meio acadêmico. Neste trabalho é apresentado um projeto para a construção de um protótipo de um dispositivo embarcado que visa aumentar a economicidade do processo eleitoral. O dispositivo destina-se a aperfeiçoar a fase de envio dos arquivos contendo os votos eletrônicos, apurados nas urnas eletrônicas brasileiras, para totalização e obtenção do resultado do pleito. Para melhorar a segurança, o equipamento faz uso de técnicas de criptografia para assegurar que o canal utilizado para transmissão dos resultados é seguro. A maior economia para o processo eleitoral é garantida com um dispositivo portátil, leve, de baixo consumo energético e robusto. Equipamentos menores e portáteis podem reduzir os custos com o processo de aquisição, preparação e envio para os locais de onde os votos eletrônicos serão transmitidos afim de serem totalizados nos sistemas centralizados da Justiça Eleitoral. / The use of information technology to promote the automation of work processes is widely spread. Systems to automate the manufacturing processes and to support services delivery help to improve the productivity and have become an indispensable asset to be exploited by organizations wishing to have the competitive advantages essential to survive in a crowded marketplace. In the context of public sector, the automation process also moves quickly and new tools that streamline and reduce the costs of providing services to citizens are being implemented. The Brazilian electoral process followed the wave of informatization and is fully automated since 1998. However, the informatization of elections is a critical process due to various requirements related to the electoral process security. The scenario of an electoral process is composed of a set of interests, often conflicting, which should be harmonized by fair and clean elections. Computerization has advantages related to greater agility in the process of calculation and disclosure of the outcome of the elections, greater economy, greater flexibility, possibility of correcting errors made at the time of voting, inclusion of people with disabilities, among others. Reconcile the difficulties of implementing the requirements in an electoral system, specifically those conflicting, which shall ensure the legitimacy of the elections (voter privacy and guarantee of the integrity), to take advantage of the benefits that computerization provides, has been subject of academic research. This work presents a project to build a prototype of an embedded device that aims to increase economicity of the Brazilian electoral process. The device is intended to improve the activity of sending files containing the electronic votes, acquired in the Brazilian electronic ballot boxes, for counting and obtaining the result of the election. To improve security, the prototype makes use of encryption techniques to ensure that the channel used for transmission of results is secure. The economy for the electoral process will be guaranteed with a portable, lightweight, low energy consumption and robust device. Portable and smaller equipments can reduce the costs with the acquisition process, preparing and sending to the places where the electronic votes will be transmitted in order to be aggregated in centralized systems. / 5000

CAPES / O conforto e a liberdade de movimentos de pacientes com doenças crônicas e que têm que ser continuamente monitorados é um tema que tem incentivado o desenvolvimento de novas tecnologias como as redes de sensores corporais sem fios (WBAN) e novas áreas de pesquisa como a telemedicina. Além disso, a incorporação de software inteligente que permite simular o raciocínio dos especialistas, auxiliá-los na tomada de decisões e detectar com antecedência condições anormais ou tendência ao desenvolvimento de determinadas doenças, abre um campo ainda maior de pesquisas, como o campo da Inteligência Artificial na Medicina (AIM). O monitoramento de pacientes por meio de equipamentos sem fios, em conjunto com a tecnologia AIM, permite desenvolver soluções práticas para monitorar pacientes sem descuidar de seu conforto. Nesta tese foram pesquisadas técnicas inteligentes para o desenvolvimento de uma aplicação que permita monitorar cinco sinais vitais de pacientes sem que eles precisem usar leitos hospitalares. Em uma primeira etapa, os procedimentos médicos tipicamente usados pelos especialistas para avaliar um paciente foram estudados e transformados em regras para o modelo fuzzy. O modelo fuzzy proposto permite analisar o estado clínico presente do paciente e criar as saídas desejadas (targets) que permitam treinar as redes neurais artificiais. Posteriormente foi desenvolvido um modelo neural que, analisando os dados atuais e saídas anteriores do paciente, permite prever o seu estado clínico futuro próximo. A fim de achar a metodologia mais exata, cinco redes neurais artificiais foram analisadas e comparadas umas às outras. As redes Elman MISO, Elman MIMO, e NNARX – totalmente conectadas e podadas – foram testadas. O modelo fuzzy teve um excelente resultado concordando com as respostas dadas pelos especialistas em 99,76% dos casos. Depois de analisar as redes propostas no conjunto de validação, os resultados revelaram que unicamente a rede NNARX podada pode oferecer a mais alta acurácia de 99,82%, enquanto os outros modelos degradam o seu desempenho em até 35%. As técnicas de parada antecipada para o treinamento junto com a obtenção de valores médios de MSE, FPE e coeficientes de correlação conseguiram obter as melhores topologias de cada tipo de rede, fazendo quase desnecessária a sua poda. As redes NNARX e P-NNARX conseguiram resultados bem melhores que as redes restantes, mas a acurácia na rede P-NNARX observou um aumento de 1,27% em relação à rede NNARX. Como conclusão, pode-se dizer que, para este caso particular, as redes NNARX capturam a essência do sistema dinâmico não linear muito melhor do que as redes Elman. Finalmente, a rede P-NNARX foi a escolhida para a implementação do sistema inteligente proposto nesta tese. A sua acurácia foi de 99,25% para uma predição no tempo (t + d), onde d = 1 segundo, utilizando os dados de 30 novos pacientes. Foram feitas mais provas com periodos de predição maiores e o sistema demostrou uma ligeira diminuição na acurácia, chegando a 94,58% para d = 60 segundos, mas ainda ficando na faixa dos 90%. Os resultados demonstram o alto nível de generalização do sistema e o excelente desempenho na predição dos três estados clínicos do paciente (estável, semiestável e instável). Pretende-se que este sistema inteligente possa ser usado como ferramenta para a medicina preventiva em pacientes crônicos. / The comfort and freedom of movements of patients that have to be continually monitored is a theme that has motivated the development of new technologies such as networks of wireless body sensors (WBAN) and new research areas such as telemedicine. In addition, the incorporation of intelligent software to simulate the reasoning of experts, assist them in decision making and in early detection of abnormal conditions or tendencies to develop certain diseases, opens an even larger field of research, such as the field of Artificial Intelligence in Medicine (AIM beings its acronym in English). Patient monitoring through wireless equipment and AIM technology allows to develop practical solutions to control patients in environments outside of clinics or hospitals. In this thesis, intelligent tools were used for the development of an application that allows monitoring of five vital signs of patients without them being present in a hospital bed. In a first step, typical medical procedures used by specialists for evaluating a patient were studied and transformed into rules for the fuzzy model. The proposed fuzzy model allows the analysis of the current state of the patient to create the desired outputs (targets) that are used to train the artificial neural networks. Then, a neural model was developed which, by analysing current and historic patient data, forecasts patients’ clinical status in the near future. In order to find the most exact methodology, five artificial neural networks were analyzed and compared with each other using thousands of real patient data sets. Elman MISO, Elman MIMO and NNARX – fully connected and pruned – were tested. The fuzzy model answered in a excelent form, agreeing in 99.76% to the answers given by the experts. After analizing the proposed networks in the validation dataset, it was discovered that the pruned NNARX can offer the highest overall accuracy of 99.82%, whereas the others show a decrease of up to 35%. Through techniques such as early stopping for the training with the search of the mean of MSE, FPE and correlation coefficients it was possible to achieve the best topologies of every network type, making their pruning almost unnecessary. The fully connected NNARX and the P-NNARX achieved much better results than other networks, but an increase of 1.27% was observed in the overall accuracy of the pruned network with respect to the NNARX. It can be said that for this particular case, NNARX networks capture the essence of the non-linear dynamic system much better than Elman. Finally, the P-NNARX model was chosen for the implementation of the proposed smart system. Its overall acuracy was of 99.25%, for the prediction time (t + d), with d = 1 second, by using unseen data of 30 new patients. More tests made with longer prediction periods demonstrate a slight decrease in the overall accuracy reaching up to 94.58% for d = 60 seconds. Nevertheless, it still remained over 90%. Results demonstrate the high generalization level of the system and its excellent performance in predicting the three possible patient conditions (stable, semi-stable, unstable). The next step is to turn this intelligent system into an usefull tool for preventive medicine for chronic patients.