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.

Orientadora: Profa. Dr. Marcelo Bender Perotoni / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / A proposta desse trabalho é demonstrar o desenvolvimento de um sistema de comunicação sem fio da temperatura de um container reefer. A leitura da temperatura em reefer é feita geralmente de maneira manual, de forma que a leitura remota e automática é um recurso que torna as operações de transporte e armazenagem de produtos que exigem temperatura controlada mais eficiente do ponto de vista logístico. Esse trabalho propõe a utilização do protocolo IEEE 802.15.4 e o ZigBee para a comunicação à distância e automática da temperatura do container reefer ao longo da Cadeia do Frio. O protocolo IEEE 802.15.4 é uma proposta de baixo custo para a comunicação em freqüência aberta, já o ZigBee está posicionado como um canal de comunicação para baixas taxas de transferência e baixas velocidades de dados. Os protocolos IEEE 802.15.4 e o ZigBee utilizam fisicamente os módulos XBee. Os XBee Série 1 (S1) permitem a comunicação ponto a ponto e os XBee Série 2 (S2) permitem a formação de malhas, sendo um módulo operando com a função coordenador, outro módulo com a função roteador e nas extremidades os dispositivos finais. Os módulos XBee S1 e S2 apresentam várias versões, a versão PRO apresenta maiores distâncias de alcance, mais potentes, atualmente, esses módulos tem alcance de 30 m a 1600 m. No estágio atual de desenvolvimento desse trabalho, podemos concluir que os módulos Série 1, atendem aos requisitos de taxas de transferência e alcance; no entanto, os Série 2 se mostram mais promissores, principalmente porque a topologia de rede em malha é mais adequada para essa aplicação (leitura simultânea de vários reefers). / This work aims the development of a wireless communication system of a reefer container temperature. Currently, temperature readings in reefers are done manually; the automatic remote reading makes transport and storage operations that require temperature-controlled products more efficient from the logistic point of view. This dissertation proposes the use of IEEE 802.15.4 and its off shoot ZigBee Protocols for the communication of the temperature measured in reefer containers. The IEEE 802.15.4 Protocol is a low-cost proposal to communicate on unlicensed frequency ranges whereas the ZigBee is positioned as a communication channel for low transfer rates and low-speed data. The IEEE 802.15.4 and ZigBee protocol are physically implemented over XBee modules. XBee Series 1 (S1) enable point-to-point communication and XBee Series 2 (S2) allow the connection on mesh networks, with a module operating as coordinator, other(s) module(s) as router(s) and the remaining configured as end devices. XBee modules S1 and S2 have multiple versions, with the so-called PRO version featuring larger link distances due its larger transmitted power. Currently, these modules have a range from 30 m up to 1600 m. At the current stage of this work we conclude that the performance of Series 1 modules enable their use when taking into consideration the throughput and range, however Serie 2 units are more promising, mainly because the mesh network topology which is more suitable for this application where several containers have their temperatures simultaneously read.

Submitted by GILVANI ALVES null (gilvani.alves@blv.ifmt.edu.br) on 2016-04-11T17:30:40Z No. of bitstreams: 1 MestradoEngEletrica_FEIS_GilvaniAlves_23022016_final.pdf: 10236294 bytes, checksum: 4f2e12f09521a832fdeb1884dc27795f (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-04-12T14:50:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alves_g_me_ilha.pdf: 10236294 bytes, checksum: 4f2e12f09521a832fdeb1884dc27795f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-12T14:50:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alves_g_me_ilha.pdf: 10236294 bytes, checksum: 4f2e12f09521a832fdeb1884dc27795f (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / O presente trabalho procede da pesquisa que investigou sobre a aplicação de técnicas de qualidade de serviços - QoS em redes sem fio, à rede principal do sistema de automação predial do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnológica – Campus Cuiabá Bela Vista. A finalidade proposta foi verificar a eficácia de uma rede sem fio no transporte de pacotes entre a central de controle e o sistema controlado, quando esta rede é compartilhada por fluxos de dados provenientes da comunidade acadêmica. Os serviços consumidos pelos usuários conectados à rede através de dispositivos móveis como tablets, smartphones e computadores portáteis, geram gargalos capazes de comprometer o sistema de automação predial, considerado um sistema crítico sensível ao tempo de entrega de pacotes. Os procedimentos metodológicos realizados buscam mitigar a latência dos pacotes provenientes dos processos gerenciados. Os resultados obtidos demonstram que é possível ampliar o número de unidades de controle atendidas, por intermédio de controles de admissão e definição de níveis de prioridades aos pacotes trafegados em um domínio de redes sem fio IEEE 802.11. A escolha do método DiffServ integrado ao algoritmo de escalonamento Hierarchical Token Bucket (HTB), permitiu classificar, medir, marcar e policiar os pacotes, o que possibilitou o tratamento e transmissão de pacote no núcleo da rede de modo fácil e eficiente. A taxa de erro de transmissão em situação de estresse na rede sem aplicação de políticas de QoS, quando comparada aos demais cenários são elevados, gerando travamento ou inoperabilidade. O uso dos métodos de QoS proporciona ao sistema maior confiabilidade mesmo em situações de anormalidade na rede. Esta pesquisa demonstra claramente que é possível utilizar um ambiente sem fio compartilhado com aplicações consumidoras de banda como rede principal de um sistema de automação predial, fator que possibilita aos proprietários de imóveis que não possuem infraestrutura de cabeamento estruturado implantar processos prediais automatizados. / This work comes from a research that investigated the implementation of quality service techniques - QoS on wireless networks, applied to the main network of the building automation system of the Federal Institute of Education, Science and Technology - Câmpus Cuiabá Bela Vista. The purpose was to verify wireless network effectiveness in the transport of packets between the control center and the controlled system, when this network is shared by data flows from the academic community. The services consumed by users connected to the network via devices such as tablets, smartphones and mobile computers, generate bottlenecks that can compromise the building automation system, considered a critical system sensitive to package delivery time. The methodological procedures performed seek to mitigate the latency of packets from the managed processes. The results obtained demonstrate that is possible to increase the number of control units served, by using intake controls and setting priority levels to the packets trafficked in a wireless networks domain IEEE 802.11.The choice of DiffServ method integrated to Hierarchical Token Bucket (HTB) scheduling algorithm, allowed to classify, measure, mark and police the packets, allowing an easily and efficiently packet processing and transmission in the core of the network. The transmission error rate under stress on the network without the application of QoS policies, compared to other scenarios, is high, generating crash or inoperability. The use of QoS methods provides more reliability to the system even under abnormal conditions in the network. This research clearly demonstrates that it is possible to use a shared wireless environment with band consumer applications as the core network of a building automation system, a factor that enables homeowners who do not have structured cabling infrastructure to deploy automated building processes.

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.

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.

O uso de redes sem fio no ambiente industrial está crescendo cada vez mais devido às vantagens que estas redes apresentam comparadas aos sistemas cabeados. No entanto, é necessário que as redes sem fio apresentem a mesma robustez que as redes cabeadas. Para isso, é necessário garantir o enlace de rádio frequência entre os dispositivos e também é preciso que a rede atenda aos requisitos de comunicação em tempo real. O protocolo WirelessHART foi criado em 2007, sendo o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio especialmente desenvolvido para ambientes industriais. Esse protocolo vem ganhando cada vez mais aplicabilidade na indústria devido à sua alta confiabilidade e robustez. Por se tratar de um protocolo recente, ainda existem muitas pesquisas em andamento, sendo uma das áreas relacionada a ferramentas para análise e monitoramento da rede. Tais ferramentas têm como objetivo principal capturar as mensagens que trafegam na rede, ou seja, atuam como um sniffer. No entanto, o protocolo WirelessHART apresenta algumas peculiaridades quando comparado a outras redes sem fio, como por exemplo, o uso de 15 canais diferentes. Devido a isso, muitos sniffers já propostos para redes sem fio não podem ser utilizados, pois capturam dados em apenas uma frequência. Outra questão está relacionada ao monitoramento de redes já instaladas, onde os dispositivos podem se encontrar em locais de difícil acesso. Dessa forma, é necessário que a ferramenta tenha mobilidade, ou seja, não necessite estar conectada a um computador, por exemplo. Então, uma vez que ainda não existe uma ferramenta de monitoramento ideal para redes WirelessHART, este trabalho propõe um nova ferramenta, que apresenta vantagens, tais como: captura de dados nos 15 canais utilizando apenas um receptor de rádio, armazenamento local dos dados capturados utilizando um cartão de memória e medição da energia nos canais, para obter informações a respeito de interferências na rede. Além disso, uma aplicação offline de análise dos dados apresenta estatísticas e análises a respeito dos dados capturados. Este trabalho apresenta alguns conceitos teóricos importantes a respeito do protocolo e os detalhes da implementação da ferramenta. Os resultados obtidos mostram que a ferramenta está atuando corretamente como um sniffer e está realizando a detecção de interferências na rede. Um estudo de caso mostra o comportamento da rede WirelessHART coexistindo com o padrão IEEE 802.11. / The use of wireless networks in industrial environment is growing due to the advantages of these networks compared to wired systems. However, the wireless networks must have the same robustness that wired networks. It is necessary to ensure the link between devices and it is also necessary that the network meets the requirements of real-time communication. The WirelessHART protocol was created in 2007, and it is the first open wireless communication standard specifically designed for industrial environments. This protocol has been gaining increasing applicability in industry due to its high reliability and robustness. Because it is a recent protocol, there are still many ongoing researches. One of them is related to tools for analyzing and monitoring the network. Such tools have the main objective to capture the messages that travel on the network, acting as a sniffer. However, the WirelessHART protocol has some peculiarities as compared to other wireless networks, such as the use of 15 different channels. Because of this, many sniffers already proposed for wireless networks can not be applied, because they capture data on only one frequency. Another issue is related to the monitoring networks already installed, where devices can be found in places of difficult access. Thus, it is necessary that the tool has mobility, i.e., does not need to be connected to a computer, for example. So, since there is still no ideal monitoring tool for WirelessHART networks, this paper proposes a new tool, which has advantages such as: data capture in 15 channels using only one radio receiver, local storage of captured data using a memory card and measuring the energy in the channels for getting information about interference in the network. In addition, an offline application presents statistics and analysis about the captured data. This paper presents some important theoretical concepts about the protocol and implementation details of the tool. The results show that the tool is working properly as a sniffer and it’s performing the interference detection in the network . A case study shows the behavior of the WirelessHART network coexisting with IEEE 802.11 standard.

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.

abstract: The primary function of the medium access control (MAC) protocol is managing access to a shared communication channel. From the viewpoint of transmitters, the MAC protocol determines each transmitter's persistence, the fraction of time it is permitted to spend transmitting. Schedule-based schemes implement stable persistences, achieving low variation in delay and throughput, and sometimes bounding maximum delay. However, they adapt slowly, if at all, to changes in the network. Contention-based schemes are agile, adapting quickly to changes in perceived contention, but suffer from short-term unfairness, large variations in packet delay, and poor performance at high load. The perfect MAC protocol, it seems, embodies the strengths of both contention- and schedule-based approaches while avoiding their weaknesses. This thesis culminates in the design of a Variable-Weight and Adaptive Topology Transparent (VWATT) MAC protocol. The design of VWATT first required answers for two questions: (1) If a node is equipped with schedules of different weights, which weight should it employ? (2) How is the node to compute the desired weight in a network lacking centralized control? The first question is answered by the Topology- and Load-Aware (TLA) allocation which defines target persistences that conform to both network topology and traffic load. Simulations show the TLA allocation to outperform IEEE 802.11, improving on the expectation and variation of delay, throughput, and drop rate. The second question is answered in the design of an Adaptive Topology- and Load-Aware Scheduled (ATLAS) MAC that computes the TLA allocation in a decentralized and adaptive manner. Simulation results show that ATLAS converges quickly on the TLA allocation, supporting highly dynamic networks. With these questions answered, a construction based on transversal designs is given for a variable-weight topology transparent schedule that allows nodes to dynamically and independently select weights to accommodate local topology and traffic load. The schedule maintains a guarantee on maximum delay when the maximum neighbourhood size is not too large. The schedule is integrated with the distributed computation of ATLAS to create VWATT. Simulations indicate that VWATT offers the stable performance characteristics of a scheduled MAC while adapting quickly to changes in topology and traffic load. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Computer Science 2013

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.

Much work has been done in simulating traditional cellular networks. But with the incoming of ad-hoc network technology, the next generation networks will employ hybrid network architectures using both cellular and ad-hoc networking concepts. We investigate how to create a simulator being able to simulate a hybrid wireless network. This involves setting up a cellular network and an ad-hoc network respectively. However, the most important thing is how to integrate them seamlessly. Fortunately, there has already been a simulator called SIMRA which simulates a UMTS cellular network. Therefore, this thesis work is greatly simplified as how to extend and improve SIMRA to implement a simulator for hybrid wireless network. We selected J-sim as the developing platform for our simulator and our development was greatly based on the wireless package provided by the latest version of J-sim. To evaluate the new simulator, different resource allocation algorithms were run against it and the results were compared to those generated by earlier extensions to SIMRA under the same simulation settings. It showed that the resource allocation algorithms behaved similarly under the hybrid wireless network environment. Nevertheless, there are some discrepancies in behaviors of algorithms used for evaluation that still need to be studied.