Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2016. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-08-19T13:44:44Z No. of bitstreams: 1 2016_CamilaFeitosaRêgo.pdf: 1114480 bytes, checksum: c3efaafe6670978458ebc99365ca7afa (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-09-05T18:29:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_CamilaFeitosaRêgo.pdf: 1114480 bytes, checksum: c3efaafe6670978458ebc99365ca7afa (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-05T18:29:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_CamilaFeitosaRêgo.pdf: 1114480 bytes, checksum: c3efaafe6670978458ebc99365ca7afa (MD5) / As Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) são utilizadas para monitorar o ambiente, como por exemplo, queimadas em florestas, informações sísmicas ou temperatura. Essas redes são compostas de nós sensores que, em geral, tem dimensões pequenas, operam por bateria e tem alcance de rádio limitado. Considerando uma RSSF de múltiplos saltos, alguns nós podem não obter uma rota para o escoamento dos dados sensoriados devido ao alcance de transmissão limitado, falha dos enlaces, esgotamento natural da bateria ou eventos externos. Recentemente, técnicas de comunicação cooperativa (CC) tem sido exploradas como alternativa para aumentar a conectividade da rede, tendo em vista sua capacidade de aumento do raio de transmissão. Este aumento está associado a capacidade dos nós transmissores em compartilhar recursos da camada física, obtendo assim os benefícios de um sistema de MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Trabalhos relacionados exploram o uso de CC com o intuito de aumentar a conectividade. No entanto, estes trabalhos visam apenas a conectividade sem preocupação com o custo para escoar dados e a indisponibilidade de nós que possuem maiores demandas para estabelecer os enlaces CC. Este trabalho tem como foco o estudo a equidade no custo energético para o estabelecimento dos enlaces CC. Estes enlaces são utilizados para prover um aumento na conectividade e possibilitar a criação de rotas mais eficientes para o escoamento dos dados em um RSSF. A primeira contribuição deste trabalho é propor um mecanismo que explora CC para reduzir o número de saltos para alcançar o nó sorvedouro. Em seguida, propomos um modelo de CC e uma heurística de seleção de nós auxiliares que promove o balanceamento energético. Por fim, propomos uma heurística de seleção de nós auxiliares que promove tanto o balanceamento energéticos dos enlaces CC quanto a conectividade em uma RSSF. As técnicas propostas apresentam ganho de conectividade de até 134% estabelecendo enlaces cooperativos balanceados onde os nós possuem uma diferença em custo de energia de apenas 8% nos cenários avaliados. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Wireless Sensor Networks (WSNs) are used to monitor the environment, such as fires in forests, seismic information or temperature. These networks consist of sensor nodes that are generally small in size, have limited radio range and operate by battery. Considering a multihop WSN, some sensors may not obtain a route to send the collected data due to limited transmission range, failure of nodes or links, external events or battery natural depletion. Recently, cooperative communication (CC) technique has been explored as an alternative to improve the signal to noise ratio. CC has also seen as an option for increasing connectivity, given its ability to increase the transmission. This increase is associated with the capacity of the source nodes to share resources from the physical layer thus obtaining the advantages of the MIMO systems (Multiple-Input Multiple-Output). Related works exploit the use of CC with intent to increase connectivity. However, these works aim at increase connectivity without concern with the cost to send the data to the sink node and the unavailability of nodes that have higher demand to establish CC links. This work aims to study the equity in the energy cost to establish CC links. This links are used to promote increase in connectivity and more efficient routes to the sink node. The first contribution of this work is to propose a mechanism to exploit CC to reduce the number of hops to reach the sink node and increase connectivity. The second contribution is to propose a CC model and a helper set selection heuristics which promove the energy balance by reducing the energy cost of the source nodes. Finally, we propose a helper set selection heuristic to establish energy balance CC links and increase connectivity. The proposed techniques presented connectivity gain up to 134% and established energy balance cooperative links which nodes have a difference in energy cost of only 8% in the evaluated scenarios.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2015. / Submitted by Ana Carolina Ferreira Saraiva (anacarolsaraiva11@hotmail.com) on 2016-01-20T13:18:53Z No. of bitstreams: 1 2015_UlissesRodriguesAfonseca.pdf: 2505441 bytes, checksum: 1925ec18041a11080e5285ce726482b2 (MD5) / Approved for entry into archive by Patrícia Nunes da Silva(patricia@bce.unb.br) on 2016-01-20T14:29:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_UlissesRodriguesAfonseca.pdf: 2505441 bytes, checksum: 1925ec18041a11080e5285ce726482b2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-20T14:29:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_UlissesRodriguesAfonseca.pdf: 2505441 bytes, checksum: 1925ec18041a11080e5285ce726482b2 (MD5) / As redes ad hoc sem fio constituem uma alternativa de baixo custo e de fácil implementação para o suporte a ações temporárias ou emergenciais em locais onde uma infraestrutura de comunicação convencional encontra-se indisponível. Apesar da sua capacidade de se adaptar a alterações na topologia, manter ou mesmo reforçar a conectividade da rede torna-se fundamental para o sucesso de diversas aplicações, em particular as de resgate e salvamento. Diversos trabalhos abordam esta questão no intuito de prover mecanismos para mitigar eventuais falhas na topologia que possam inviabilizar a conectividade da rede. Esta tese demonstra que a Comunicação Cooperativa pode ser efetivamente utilizada para aumentar a conectividade das redes ad hoc sem fio. Em uma CC, os nós portadores de uma única antena se beneficiam da diversidade espacial de forma semelhante a um sistema Multiple-Input Multiple-Output. Esta técnica permite ampliar o raio de comunicação dos nós devido à sua característica de combater o desvanecimento de sinal e os enlaces cooperativos podem ser empregados para reforçar a conectividade da rede. Contudo, as soluções existentes são, em sua maioria, centralizadas e apresentam um alto custo computacional, o que as tornam inviáveis no contexto da recuperação de conectividade. Ao aplicar o conhecimento global da topologia, o melhor enlace cooperativo, entre componentes isolados da rede, tem um custo computacional de O(|V | 2 • Λ), onde |V | corresponde ao número de nós da rede e Λ equivale ao custo para selecionar os nós auxiliares em um enlace cooperativo. Esta tese propõe duas soluções distribuídas que aplicam conhecimento localizado da topologia e permitem aumentar a conectividade da rede com objetivo de reforçar a conectividade por meio da utilização de enlaces cooperativos. As articulações, também conhecidas como nós críticos ou vértices de corte, são utilizadas para identificar possíveis pontos de segmentação da rede. A primeira solução requer O(∆(G) 2 • Λ) unidades de tempo para determinar, a partir das articulações, o melhor enlace cooperativo localizado a dois saltos, onde ∆(G) representa o grau da rede. Na segunda solução, os vizinhos das articulações computam o enlace cooperativo de reserva com um custo total de O(∆(G) • Λ). Em caso de segmentação da rede, estas soluções permitem que enlaces cooperativos sejam ativados para reestabelecer a conectividade. Da mesma forma, os enlaces cooperativos podem ser exploradas para manter a biconectivividade da rede e permitir o balanceamento de carga. Esta tese também apresenta uma alternativa distribuída para a localização de articulações. Comparado com soluções existentes, a alternativa proposta utiliza um volume de mensagens significativamente inferior. Uma abordagem incremental, e diferente das existentes na literatura, é utilizada para determinar as pontes e os componentes biconectados. / Wireless ad hoc networks are low cost and easy to deploy alternative to support temporary or emergency tasks in places where conventional communications infrastructure are unavailable. Despite its ability to adapt to topology changes, maintain or even enhance network connectivity is fundamental to the success of many applications, in particular those of search and rescue. Several papers address this issue in order to provide mechanisms to mitigate eventual network faults that might preclude network connectivity. This thesis shows that Cooperative Communication (CC) can be effectively used to increase the connectivity of ad hoc wireless networks and restore network connectivity when needed. In CC, nodes with a single antenna benefit from spatial diversity similarly to Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems. This technique allows the nodes to extend their communication range due to its capability of reducing signal fading, thus making CC a suitable alternative for enhancing network connectivity. However, existing solutions are usually centralized and have a high computational cost, making them unviable in the context of connectivity recovery. When full network topology is known beforehand, the best cooperative link between isolated network components can be computed in O(|V | 2 • Λ) time, where |V | corresponds to the number of nodes network and Λ is the cost to select auxiliary nodes to form the cooperative link. This thesis proposes two distributed solutions that apply localized topology knowledge to increase and restore connectivity through the use of cooperative links. Articulations, also known as critical nodes or cut-vertices, are used to identify potential network segmentation points. The first solution requires O(∆(G) 2 • Λ) time units to determine, based on the articulation vicinity, the best cooperative link between clusters of nodes using two hop localized information, where ∆(G) represents the network degree. In the second solution, the articulation neighboring computes the backup cooperative link with a total cost of O(∆(G) • Λ) time. In case of network segmentation, the proposed solutions activate the computed cooperative links to restore connectivity. Also, the cooperative links can be exploited to obtain a biconnected network. This thesis also presents a distributed alternative to locate articulations. Compared to existing solutions, the proposed alternative uses a significantly lower volume of messages. Furthermore, by using an incremental approach, it is possible to determine bridges and biconnected components.

A evolução tecnológica das redes de telecomunicações sem fio permite que organizações de redes mais inteligentes sejam vislumbradas. É possível imaginar um sistema de telefonia formado por dispositivos móveis autônomos que não necessite de nenhuma infraestrutura pré-estabelecida para trocar informações com seus vizinhos, de acordo com o alcance do raio de transmissão. Assim, as informações poderiam ser repassadas de nó em nó, formando uma rede de múltiplos saltos. A ausência de uma entidade central também poderia melhorar a tolerância a falhas do sistema, principalmente por gerar uma redundância de caminhos possíveis entre os nós. Analisamos o desempenho desse sistema em diferentes cenários e a sensibilidade à variação de parâmetros como o raio de transmissão, interferências, a quantidade de nós e número de saltos máximo permitido (TTL), e testamos estratégias de comunicação com raio fixo, raio variável, número de vizinhos mínimo e etc., através de modelagem e simulação baseada em agentes. De maneira geral, a estratégia de transmissão com raio variável apresentou a melhor taxa de mensagens recebidas e a menor média de saltos até o destino, porém com maior nível de energia do sistema. A estratégia de raio fixo apresentou a menor energia total gasta pelo sistema para enviar as mensagens, porém, com uma taxa menor de mensagens recebidas. Além disso, avaliamos que as principais causas de perdas de pacotes estão associadas com o aumento da mobilidade, a redução do TTL e as interferências, sendo que cada uma contribui mais ou menos de acordo com o cenário estudado. / The technological development of Wireless Networks leads to more intelligent networks structures. One can imagine a mobile data system consisting of autonomous mobile devices that do not require any pre-established infrastructure to exchange information one with another, limited mainly by the transmission radius. Thus, data could be forwarded from node to node, forming a multihop network. The absence of a central entity could also improve fault tolerance by allowing redundant paths for nodes to communicate. We analyzed the performance of the system in different scenarios and system behavior regarding parameters variations such as transmission radius, interferences, the number of nodes and maximum allowed number of hops (TTL), and tested communication strategies with fixed radius, variable radius, minimum number of neighbors to transmit, etc., through modeling and simulation-based agents. In general, variable radius strategy had the best rate of incoming messages and the lowest average number of hops to the destination. However it presented the higher level of system energy. In one hand, fixed radius strategy presented the lowest total energy expended by the system to send messages, but, in the other hand, the rate of incoming messages was lower. Furthermore, we discovered the main causes of packet losses are associated with increased mobility, reducing the TTL and interference, each of which contributes more or less in accordance with the scenario.

A evolução tecnológica das redes de telecomunicações sem fio permite que organizações de redes mais inteligentes sejam vislumbradas. É possível imaginar um sistema de telefonia formado por dispositivos móveis autônomos que não necessite de nenhuma infraestrutura pré-estabelecida para trocar informações com seus vizinhos, de acordo com o alcance do raio de transmissão. Assim, as informações poderiam ser repassadas de nó em nó, formando uma rede de múltiplos saltos. A ausência de uma entidade central também poderia melhorar a tolerância a falhas do sistema, principalmente por gerar uma redundância de caminhos possíveis entre os nós. Analisamos o desempenho desse sistema em diferentes cenários e a sensibilidade à variação de parâmetros como o raio de transmissão, interferências, a quantidade de nós e número de saltos máximo permitido (TTL), e testamos estratégias de comunicação com raio fixo, raio variável, número de vizinhos mínimo e etc., através de modelagem e simulação baseada em agentes. De maneira geral, a estratégia de transmissão com raio variável apresentou a melhor taxa de mensagens recebidas e a menor média de saltos até o destino, porém com maior nível de energia do sistema. A estratégia de raio fixo apresentou a menor energia total gasta pelo sistema para enviar as mensagens, porém, com uma taxa menor de mensagens recebidas. Além disso, avaliamos que as principais causas de perdas de pacotes estão associadas com o aumento da mobilidade, a redução do TTL e as interferências, sendo que cada uma contribui mais ou menos de acordo com o cenário estudado. / The technological development of Wireless Networks leads to more intelligent networks structures. One can imagine a mobile data system consisting of autonomous mobile devices that do not require any pre-established infrastructure to exchange information one with another, limited mainly by the transmission radius. Thus, data could be forwarded from node to node, forming a multihop network. The absence of a central entity could also improve fault tolerance by allowing redundant paths for nodes to communicate. We analyzed the performance of the system in different scenarios and system behavior regarding parameters variations such as transmission radius, interferences, the number of nodes and maximum allowed number of hops (TTL), and tested communication strategies with fixed radius, variable radius, minimum number of neighbors to transmit, etc., through modeling and simulation-based agents. In general, variable radius strategy had the best rate of incoming messages and the lowest average number of hops to the destination. However it presented the higher level of system energy. In one hand, fixed radius strategy presented the lowest total energy expended by the system to send messages, but, in the other hand, the rate of incoming messages was lower. Furthermore, we discovered the main causes of packet losses are associated with increased mobility, reducing the TTL and interference, each of which contributes more or less in accordance with the scenario.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-04-18T18:31:55Z No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-04-19T13:28:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-19T13:28:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mateusdelimafilomeno.pdf: 952346 bytes, checksum: 0eb883e1ceabb6c297f58be445761d84 (MD5) Previous issue date: 2018 / Esta dissertação tem como objetivo discutir as comunicações cooperativas híbrida e não híbrida aplicadas a sistemas de comunicação de dados em banda larga e em ambientes residenciais. Nesse sentido, o modelo de canal com retransmissor único em dois estágios é investigado para sistemas de comunicação em banda larga através da rede de energia elétrica. Este modelo de canal cooperativo é formado pela concatenação de dois canais com retransmissor único, cobrindo enlaces de comunicação de dados com até dois saltos. Além disso, um modelo de canal híbrido com retransmissor único, utilizando rede elétrica e ar, é analisado para sistemas de comunicação de dados em banda larga em que enlaces de até um salto são considerados. Expressões de taxas de dados alcançáveis ergódicas são derivadas para os modelos de canais cooperativos híbridos e não híbridos, a fim de compará-los. Devido às características de canais e ruído das redes de energia elétrica, os resultados numéricos são baseados em um conjunto de dados constituído por estimativas de canais e medições de ruído cobrindo a faixa de frequência de 1, 7 a 100 MHz e diferentes posições do nó retransmissor. Para os canais sem fio, o modelo HIPERLAN/2 com a mesma largura de banda é utilizado, considerando uma freqüência central de 5 GHz, enquanto o ruído aditivo é considerado branco gaussiano. Com relação aos sistemas de comunicação através da rede energia elétrica, mostra-se que o modelo de canal com retransmissor único em dois estágios é a melhor opção quando o enlace da fonte ao destino encontra-se severamente degradado (por exemplo, alta atenuação de sinal devido à longa distância entre nós fonte e destino e/ou presença de ruído de alta potência). Quando a degradação do canal não é acentuada, o modelo de canal de dois saltos é mais apropriado. Acerca dos sistemas híbridos, constata-se que, quando o retransmissor está no meio do caminho entre fonte e destino, o modelo de canal híbrido com retransmissor único apresenta o melhor desempenho em termos de taxa de dados alcançável ergódica, enquanto o modelo de canal híbrido de um salto oferece os melhores resultados para outros casos. / This dissertation aims to discuss hybrid and non-hybrid cooperative communications applied to in-home broadband data communication systems. In this sense, the two-stage single-relay channel model is investigated for in-home broadband power line communication systems. This cooperative channel model consists of the concatenation of two single-relay channels, covering data communication links with up to two hops. Moreover, a hybrid power line/wireless single-relay channel model is analyzed for broadband data communication systems, considering one-hop links. Ergodic achievable data rate expressions are derived for both hybrid and non-hybrid cooperative channel models in order to compare them. Due to channel and noise characteristics of electric power grids, numerical results are based on a data set constituted by power line channel estimates and additive noise measurements covering the frequency band from 1.7 up to 100 MHz and different relay positions. For wireless channels, the HIPERLAN/2 model with the same bandwidth is used, but at a central frequency of 5 GHz, while the additive noise is considered to be Gaussian white. Regarding only power line communication systems, it is shown that the two-stage single-relay channel model is the best option when the source-to-destination link is severely degraded (e.g., high signal attenuation due to the long distance between source and destination nodes and/or high-power noise presence). When the channel degradation is not severe, the two-hop channel model is more appropriate. Concerning hybrid systems, it is observed that, when the relay is halfway between source and destination nodes, the hybrid single-relay channel model presents the best performance in terms of ergodic achievable data rate, while the hybrid one-hop channel model yields the best results for other cases.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-02-11T10:56:22Z No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-02-26T11:57:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-02-26T11:57:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 juandavidvalenciapayan.pdf: 2769602 bytes, checksum: f450fbb83bbe8b4e5a8cdb7c9b4fa338 (MD5) Previous issue date: 2014-03-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta contribuição descreve uma caracterização estatística da rede de baixa tensão Brasileira residencial como meio de comunicação. As discussões são baseadas em canais estimados obtidos em uma campanha de medição realizada em quatro apartamentos diferentes, com tamanhos que variam de 50 até 90 metros quadrados. Os parâmetros considerados para esta análise são o Root Mean Square Delay Spread, o ganho médio do canal e a capacidade do canal. Para efeitos de comparação com a rede de potencia dos Estados Unidos, a banda de frequência utilizada foi de 1:705 até 30 MHz. A análise relatada mostra que o Root Mean Square Delay Spread e o ganho médio do canal não podem ser modelados como variáveis log-normal. Os resultados obtidos geram dúvidas em relação aos atuais encontrados na literatura, em que se afirma que tanto o Root Mean Square Delay Spread quanto o ganho médio do canal seguem uma distribuição log-normal. Foram medidos também a impedância de acesso e o ruído do canal de comunicação via rede elétrica. Além disso, os conceitos de cooperação para melhorar o desempenho dos sistemas de comunicação via rede elétrica foram analisados, mais especificamente na rede de baixa tensão Brasileira residencial. Para isso, foram analisados a performance dos protocolos de Amplify-and-Forward e Decode-and-Forward, em conjunto com as técnicas de combinação Equal-Gain Combining, Selection-Combining e Maximal-Ratio Combining. A análise sobre os dados medidos cobriram uma faixa de frequência de 1:705 a 100 MHz. Os dados medidos abordam quatro cenários para possíveis localizações do nó Relay. Os resultados obtidos mostram que o Amplify-and- Forward é de aplicabilidade limitada no contexto de comunicação via rede elétrica e o oposto é válido para o protocolo de Decode-and-Forward, principalmente se a probabilidade de erro de detecção de símbolos no nó Relay tende a zero. / This thesis outlines a statistical characterization of the Brazilian In-Home Low-Voltage Electric Power Grid as a communication medium. The discussions are based on estimated channels obtained in a measurement campaign carried out in four different apartments with sizes ranging from 50 up to 90 square meters. The parameters considered for this analysis are the Root Mean Square Delay Spread, the average channel gain, and the channel capacity. For the sake of comparison with the Electric Power Grid in United States, the frequency band ranging from 1:705 up to 30 MHz was set. The reported analysis shows that the Root Mean Square Delay Spread and the average channel gain cannot be modeled as log-normal variables, this cast doubt the current results found in the literature, in which is stated that both the Root Mean Square Delay Spread and the average channel gain follow a log-normal distribution. This was followed by the Power Line Communication access impedance and noise measurements in the In-Home Low-Voltage Electric Power Grid. Additionally, the suitability of cooperation concepts for improving the performance of Power Line Communication systems was analyzed, more specifically in the Brazilian In-Home Low-Voltage Electric Power Grid. For this purpose, the performance of the Amplify-and-Forward and Decode-and- Forward protocols, together with the Equal-Gain Combining, Selection Combining, and Maximal-Ratio Combining techniques were analyzed. The analysis was carried out on the measured data covering a frequency band from 1:705 up to 100 MHz. The measured data addresses four scenarios for possible relay node locations. The attained results show that the Amplify-and-Forward is of limited applicability in the Power Line Communication context and the opposite is valid to the Decode-and-Forward protocol, mainly if the error probability of detecting symbols at the relay node is zero.