A melhora na eficiência do uso do espectro de radiofrequência é fundamental para permitir um desempenho adequado dos diversos sistemas sem fio cuja complexidade e requerimentos aumentam a cada dia. O panorama atual de atribuição de canais é estático, tolerando assim, que o espectro de radiofrequência seja usado de forma desequilibrada, gerando com isso, problemas de coexistência em algumas faixas e subutilização de recursos em outras. Para contornar esse problema, tem sido proposta a ideia de introduzir algoritmos de cognição nos dispositivos sem fio, a fim de permitir um modelo de alocação dinâmico adicional. Neste, os usuários secundários equipados com rádios cognitivos podem utilizar de forma dinâmica os canais subutilizados de usuários primários. Um usuário primário tem prioridade de uso do canal como consequência da atribuição estática, porém, o uso do canal por um usuário secundário qualquer é oportunista e limitando ao tempo de inatividade do usuário primário em um determinado local. As redes de sensores sem fio trabalham em uma banda concorrida e são sistemas que podem melhorar seu desempenho utilizando um mecanismo de acesso dinâmico aos canais, possibilitando o aproveitamento dos períodos de inatividade de usuários primários ou aumentando sua capacidade de coexistência na banda de operação atual. Segundo a literatura pesquisada são vários os desafios existentes para conseguir um método distribuído de acesso dinâmico aos canais que considere as restrições de trocas de sinalizações, consumo de energia e complexidade dos dispositivos de uma rede de sensores sem fio. Neste contexto, propõe-se uma metodologia de sensoriamento e acesso dinâmico aos canais para uma rede de sensores sem fio considerando a simplicidade dos dispositivos. Como fatores de inovação, optou-se pela definição de uma política de sensoriamento por clusters que permite realizar uma aprendizagem cooperativa por reforço da situação dos canais de operação. Além disso, a definição de um mecanismo de acesso dinâmico aos canais fundamentado no padrão IEEE 802.15.4 permite comunicação e coordenação distribuída de forma assíncrona. O funcionamento da metodologia proposta é avaliado e comparado usando simulações e experimentos mediante um estudo de caso específico. As comparações são realizadas com métodos de seleção de canal: fixa, cega ou baseada em recompensas por acesso. Os resultados mostram a eficiência no acesso dinâmico aos canais com aumentos na taxa de entrega de mensagens e na capacidade de coexistir com as redes primárias. / The efficiency improvement of the use of radiofrequency spectrum is fundamental to allow more complex and more optimal wireless systems. The current channel allocation is static. It tolerates unbalanced use of the radiofrequency spectrum generating coexistence problems in some bands and underutilization of resources in other bands. The introduction of cognitive algorithms into wireless devices has been proposed to overcome that problem, in order to allow an additional dynamic allocation model. In this, the secondary users equipped with cognitive radios will be able to use dynamically the underutilized channels of primary users. A primary user has channel usage priority related to the static allocation, on the other hand, the use of the channel by any secondary user is opportunistic and limited to the inactivity time of the primary user in a specific place. Wireless sensor networks work in a competitive band. These systems can improve their performance using a dynamic access to the channels and consequently to enable the utilization of inactivity periods of primary users or to increase the coexistence capability at their current operation band. According to the researched literature, several challenges exist to find a distributed method for dynamic access to the channels considering the restrictions on control signaling, energy consumption and computational complexity of wireless sensor network devices. In this context, a methodology of sensing and dynamic access to the channels in a wireless sensor network considering the restrictions of the devices is proposed. As innovation, we opted for the definition of a sensing policy by clusters that allows the cooperative reinforcement learning of the situation of channels. In addition, a mechanism for dynamic access to the channels based on the IEEE 802.15.4 standard is defined to allow asynchronous and distributed coordination. The behavior of the proposed methodology is evaluated and compared using simulations and experiments through a specific case study. The comparisons are performed with channel selection methods: fixed, blind and access based. The results show good efficiency in the dynamic allocation of the channels, increasing the message delivery rate and the coexistence capability.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. / Made available in DSpace on 2012-10-20T20:42:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 195208.pdf: 2696368 bytes, checksum: 033a5a5b52c5a2a2422e8d778c8a32dc (MD5)

CAPES / Nessa dissertação de mestrado apresentamos um novo método HARQ para sistemas de comunicação cooperativa, denominado Retransmissão Parcial Codificada (RPC). Esse método é baseado na retransmissão de apenas uma fração da palavra código original por parte dos nós cooperativos, aplicando a essa fração um ganho de potência apropriado. Os resultados numéricos utilizando códigos LDPC e HARQ Tipo-I com Chase Combining mostram que o RPC supera os esquemas HARQ cooperativos tradicionais considerando os protocolos AAF e SDF. Além disso, mostramos que a vazão (throughput) do RPC, utilizando apenas um único relay, pode ser consideravelmente maior que a vazão de alguns métodos HARQ cooperativos que utilizam múltiplos relays. / In this master thesis we present a novel HARQ scheme for cooperative communication systems, called Coded Partial Retransmission (CPR). The method is based on the retransmission of only a fraction of the original codeword by the cooperating nodes, applying an appropriate power allocation. Numerical results using LDPC codes and Type-I HARQ with Chase Combining show that CPR outperforms regular cooperative HARQ techniques considering both AAF and SDF protocols. Additionally, we show that the CPR throughput, using a single relay, may be considerably larger than the throughput of some regular cooperative HARQ schemes using multiple relays.

CAPES / Nessa dissertação de mestrado apresentamos um novo método HARQ para sistemas de comunicação cooperativa, denominado Retransmissão Parcial Codificada (RPC). Esse método é baseado na retransmissão de apenas uma fração da palavra código original por parte dos nós cooperativos, aplicando a essa fração um ganho de potência apropriado. Os resultados numéricos utilizando códigos LDPC e HARQ Tipo-I com Chase Combining mostram que o RPC supera os esquemas HARQ cooperativos tradicionais considerando os protocolos AAF e SDF. Além disso, mostramos que a vazão (throughput) do RPC, utilizando apenas um único relay, pode ser consideravelmente maior que a vazão de alguns métodos HARQ cooperativos que utilizam múltiplos relays. / In this master thesis we present a novel HARQ scheme for cooperative communication systems, called Coded Partial Retransmission (CPR). The method is based on the retransmission of only a fraction of the original codeword by the cooperating nodes, applying an appropriate power allocation. Numerical results using LDPC codes and Type-I HARQ with Chase Combining show that CPR outperforms regular cooperative HARQ techniques considering both AAF and SDF protocols. Additionally, we show that the CPR throughput, using a single relay, may be considerably larger than the throughput of some regular cooperative HARQ schemes using multiple relays.

A transferência de energia sem fio (WPT) rege um importante papel no carregamento de aparelhos remotos. Em um acoplamento indutivo ressonante há várias topologias de sistemas WPT que podem ser implementados para realizar a transferência de energia. Neste trabalho é utilizado uma topologia que utiliza quatro capacitores de compensação para realizar o ajuste da potência entregue a carga, onde estes capacitores são calculados através das fixações dos demais parâmetros do circuito elétrico. Quando o sistema WPT é projetado, uma distância fixa entre as bobinas é almejada, todavia há incertezas e movimentos que podem provocar a alteração desta distância. Há várias técnicas na literatura que buscam realizar a sintonia do acoplamento indutivo para compensar estes desalinhamentos gerado entre as bobinas. Este trabalho apresenta um método multivariável para maximização da potência entregue a carga em um sistema de transferência sem fio. O método proposto utiliza os conceitos de um capacitor variável e a variação de frequência a fim de variar a potência entregue a carga. Os resultados experimentais obtidos para os fatores de acoplamento magnético k > 0;3 mostraram que controlando a frequência e uma capacitância da rede de compensação o desempenho do sistema é melhor que os casos onde apenas uma dessas variáveis é controlada. / Wireless power transfer (WPT) plays an important rule in charging remote devices. In a resonant inductive coupling there are several topologies of WPT systems that can be implemented to perform the energy transfer. In this work, a topology is used that uses four capacitors of compensation to realize the adjustment of the power delivered to load, where these capacitors are calculated through the xations of the other parameters of the electric circuit. When the WPT system is designed, a xed distance between coils is desired, however there are uncertainties and movements that may cause this distance to change. There are several techniques in the literature that seek to realize the tuning of the inductive coupling to compensate for these misalignments generated between the coils. This work presents a multivariable method to maximize the power delivered to the load in a wireless transfer system. The proposed method uses the concepts of a variable capacitor and the frequency variation in order to vary the power delivered to the load. The experimental results obtained for the magnetic coupling factors k > 0:3 showed that controlling the frequency and capacitance of the compensation network system performance is better than the cases where only one of these variables is controlled.

O método VRFT (Virtual Reference Feedback Tuning) é um método baseado em dados utilizado para ajustar os parâmetros de um controlador. Uma das vantagens deste método é que não é necessário um conhecimento detalhado do modelo do processo a ser controlado. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um aplicativo Android que utiliza o método VRFT, e uma versão recursiva do mesmo, para ajustar os parâmetros de um controlador PID com base nos dados de entrada e saída coletados de um experimento realizado no processo. O experimento pode ser configurado, inicializado, monitorado, e interrompido através da aplicação móvel. Para viabilizar a comunicação com o controlador também foram desenvolvidos um gateway Bluetooth-Modbus e um protocolo de comunicação simples, que opera sobre o serviço de comunicação serial do protocolo Bluetooth. A solução proposta foi validada através de experimentos realizados em processos simulados e em um processo real, mostrando bons resultados em ambos os casos. / The Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT) method is a data-driven method employed to tune the parameters of a controller. An advantage of this method lies in the fact that it does not need a detailed knowledge of the process model. This work presents the development of an Android application which employs the VRFT method and a newly developed recursive version of it to tune a PID controller based upon the data collected from an experiment conducted on the process. The experiment can be set up, started, monitored, and stopped from inside the mobile application. To communicate with the controller a Bluetooth-Modbus gateway and an application layer protocol, designed over the Bluetooth serial communication service, are employed, both newly developed. Finally, the entire solution is verified in two steps: first some experiments were conducted on a simulated process, then another experiment was conducted to tune a real commercial controller, both showing good results.

A melhora na eficiência do uso do espectro de radiofrequência é fundamental para permitir um desempenho adequado dos diversos sistemas sem fio cuja complexidade e requerimentos aumentam a cada dia. O panorama atual de atribuição de canais é estático, tolerando assim, que o espectro de radiofrequência seja usado de forma desequilibrada, gerando com isso, problemas de coexistência em algumas faixas e subutilização de recursos em outras. Para contornar esse problema, tem sido proposta a ideia de introduzir algoritmos de cognição nos dispositivos sem fio, a fim de permitir um modelo de alocação dinâmico adicional. Neste, os usuários secundários equipados com rádios cognitivos podem utilizar de forma dinâmica os canais subutilizados de usuários primários. Um usuário primário tem prioridade de uso do canal como consequência da atribuição estática, porém, o uso do canal por um usuário secundário qualquer é oportunista e limitando ao tempo de inatividade do usuário primário em um determinado local. As redes de sensores sem fio trabalham em uma banda concorrida e são sistemas que podem melhorar seu desempenho utilizando um mecanismo de acesso dinâmico aos canais, possibilitando o aproveitamento dos períodos de inatividade de usuários primários ou aumentando sua capacidade de coexistência na banda de operação atual. Segundo a literatura pesquisada são vários os desafios existentes para conseguir um método distribuído de acesso dinâmico aos canais que considere as restrições de trocas de sinalizações, consumo de energia e complexidade dos dispositivos de uma rede de sensores sem fio. Neste contexto, propõe-se uma metodologia de sensoriamento e acesso dinâmico aos canais para uma rede de sensores sem fio considerando a simplicidade dos dispositivos. Como fatores de inovação, optou-se pela definição de uma política de sensoriamento por clusters que permite realizar uma aprendizagem cooperativa por reforço da situação dos canais de operação. Além disso, a definição de um mecanismo de acesso dinâmico aos canais fundamentado no padrão IEEE 802.15.4 permite comunicação e coordenação distribuída de forma assíncrona. O funcionamento da metodologia proposta é avaliado e comparado usando simulações e experimentos mediante um estudo de caso específico. As comparações são realizadas com métodos de seleção de canal: fixa, cega ou baseada em recompensas por acesso. Os resultados mostram a eficiência no acesso dinâmico aos canais com aumentos na taxa de entrega de mensagens e na capacidade de coexistir com as redes primárias. / The efficiency improvement of the use of radiofrequency spectrum is fundamental to allow more complex and more optimal wireless systems. The current channel allocation is static. It tolerates unbalanced use of the radiofrequency spectrum generating coexistence problems in some bands and underutilization of resources in other bands. The introduction of cognitive algorithms into wireless devices has been proposed to overcome that problem, in order to allow an additional dynamic allocation model. In this, the secondary users equipped with cognitive radios will be able to use dynamically the underutilized channels of primary users. A primary user has channel usage priority related to the static allocation, on the other hand, the use of the channel by any secondary user is opportunistic and limited to the inactivity time of the primary user in a specific place. Wireless sensor networks work in a competitive band. These systems can improve their performance using a dynamic access to the channels and consequently to enable the utilization of inactivity periods of primary users or to increase the coexistence capability at their current operation band. According to the researched literature, several challenges exist to find a distributed method for dynamic access to the channels considering the restrictions on control signaling, energy consumption and computational complexity of wireless sensor network devices. In this context, a methodology of sensing and dynamic access to the channels in a wireless sensor network considering the restrictions of the devices is proposed. As innovation, we opted for the definition of a sensing policy by clusters that allows the cooperative reinforcement learning of the situation of channels. In addition, a mechanism for dynamic access to the channels based on the IEEE 802.15.4 standard is defined to allow asynchronous and distributed coordination. The behavior of the proposed methodology is evaluated and compared using simulations and experiments through a specific case study. The comparisons are performed with channel selection methods: fixed, blind and access based. The results show good efficiency in the dynamic allocation of the channels, increasing the message delivery rate and the coexistence capability.

Redes de sensores sem fio (RSSFs) heterogêneas podem combinar nós estáticos e nós móveis. Os nós móveis podem ainda conter um hardware mais sofisticado quando comparado aos nós estáticos. Veículos aéreos não tripulados (VANTs) podem conferir mobilidade ao nó sensor aumentando a flexibilidade da RSSF onde ele está inserido. Tanto os VANTs quanto outros n´os sensores comuns podem conter uma arquitetura de hardware reconfiguraável, como por exemplo um FPGA, e com isso adquirir um poder computacional diferenciado. RSSFs propiciam um grande e interessante espectro de aplicações possíveis, tais como vigilância aérea, suporte `a segurança pública entre outros. As RSSFs podem ser configuradas através do uso de agentes móveis, que são capazes de migrar carregando as tarefas que serão executadas nos n´os. Neste cenário, este trabalho descreve uma arquitetura de agentes reconfiguráveis para redes de sensores sem fio. Os agentes são capazes de serem executados como um agente puramente em software, ou também como um agente em hardware, de- pendendo do ambiente de execução disponível e do design escolhido. A arquitetura proposta para o agente reconfiguraável apresenta a transparência necessária ao agente para que o resto do sistema não perceba a natureza dos agentes que estão sendo executados na plataforma. Além disso, a arquitetura permite a migração dinâmica de agentes que reconfiguram o sistema também de uma maneira transparente. São mostrados exemplos de casos de uso que demostram a viabilidade de uso da arquitetura proposta e este trabalho ainda mostra a análise realizada sobre estas plataformas. / Heterogeneous wireless sensor networks (WSN) can combine static nodes and mobile nodes. Theses mobile nodes may contain a sophisticated hardware when compared to static nodes. Unmanned aircraft vehicles (UAVs) can confer mobility to the sensor node increasing the flexibility of the WSN to where it is inserted. UAVs as well as other common sensor nodes can have a reconfigurable hardware architecture, as, for example, an FPGA and with this achieve a differentiated computational power. WSNs enable a vast and interesting spectrum of possible applications, like aerial surveillance, public security support, among others. The WSNs can be configured by the use of mobile agents, which are capable of migrating among the nodes, carrying the tasks to be executed and that will be instantiated on a given node. In this scenario, this work describes an architecture of reconfigurable agents to wireless sensor networks. The agents can be implemented purely in software or as a hardware agent, depending on the available execution environment and on the chosen design. The proposed architecture presents the necessary transparency to the agent so that the rest of the system is not aware of the nature of the agents that are implemented on the platform. Furthermore, the architecture enables dynamic migration of agents that reconfigure the system in a transparent way as well. In this work, use cases examples that demonstrate the feasibility of using the proposed architecture are shown, as well as the analysis performed on these platforms.

Os sistemas de identificação por radio frequências (RFID - Radio Frequency IDentification) são uma tecnologia de transmissão e armazenamento de informação remota, composta por dispositivos (etiquetas e leitores RFID), que comunicam à distância sem necessitarem de qualquer contato direto. Embora a RFID possua algumas décadas de existência, apenas nos últimos anos tem recebido atenção por parte do meio industrial e demonstrado ser uma tecnologia com um futuro promissor, devido especialmente às suas inúmeras possibilidades de utilização e vantagens que possui quando comparada com outras tecnologias semelhantes. Embora a utilização da RFID aparente ser bastante vantajosa e com bastantes benefícios, muitas questões e dificuldades são colocadas no momento da sua implementação. No âmbito desta dissertação será apresentado uma revisão bibliográfica sobre o estado de arte da tecnologia RFID, os dispositivos que a compõem e que são essenciais ao seu funcionamento, assim como várias aplicações da tecnologia. Serão igualmente abordados os problemas que dificultam a disseminação da tecnologia. O objetivo do trabalho foi (i) realizar um levantamento na literatura dos fatores que influenciam a eficiência da tecnologia RFID e (ii) realizar uma análise experimental dos fatores que influenciam a capacidade de transmissão do sinal de radio frequência entre os vários dispositivos RFID existentes no contexto industrial. / The Radio frequency identification (RFID) systems are a technology that permits the transmission and storage of information remotely, composed of devices (tags and readers), which communicate at a distance without the need for any direct contact. While RFID has a few decades of existence only in recent years it has received attention from the industrial environment and demonstrated to be a technology with a promising future, especially due to its many possibilities of use and advantages when compared with other similar technologies. However, although the actual use of RFID may appear to be very advantageous and with many benefits, many issues and problems are posed at time of implementation. Within this dissertation it will be presented a literature review on the state of the art RFID technology, the devices that make up to it and that are essential to its operation, as well as the various applications of technology. The problems and difficulties that are posed at the moment and difficulties that compromise the spread of technology will also be discussed. The objective of this work was (i) to conduct a literature review of the factors that influence the efficiency of RFID technology and (ii) conduct an experimental analysis of the factors that influence the ability of signal transmission between different radio frequency RFID devices existing in the industrial context.

O uso de equipamentos sem fio em sistemas de monitoramento e controle de processos industriais vem aumentando gradativamente. Os elevados custos de cabeamento incentivam os gerentes de fábricas para que considerem o uso de sistemas industriais sem fio, uma vez que estes promovem grandes reduções nos custos de instalação finais. Entretanto, a robustez do enlace de rádio frequência e os requerimentos de comunicação em tempo real são frequentemente citados como obstáculos reais para o uso de tecnologias sem fio na indústria. À frente das demais organizações, a HART Foundation lançou em 2007 o WirelessHART, sendo este o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio especificamente desenvolvido para ambientes industriais. Apesar de ser um protocolo seguro e de propiciar comunicação em tempo real, o estudo aprofundado do WirelessHART revela diversas possibilidades de melhorias. Nesse protocolo, o gerenciamento da rede é feito de forma centralizada, o que garante maior simplicidade e controle sobre o escalonamento, roteamento e a segurança das mensagens. Por outro lado, grandes latências, especialmente nos processos de conexão e desconexão de nós, impossibilitam o uso de dispositivos móveis ou intermitentes. A concentração do gerenciamento em um só elemento também leva à fragilidade do sistema: na falha do gerenciador central, toda rede fica inoperante. Neste trabalho, é apresentada uma arquitetura de rede WirelessHART inovadora, que utiliza coprocessadores gerenciadores distribuídos para possibilitar a descentralização do gerenciamento e consequentemente as suas vantagens. O sistema desenvolvido permite diferentes configurações descentralizadas, parciais ou totais, e com mínimas modificações no protocolo original. A arquitetura de rede proposta mantém os dispositivos de campo com suas características originais, de baixo custo e consumo, além de permitir a coexistência com equipamentos certificados. A metodologia para a descentralização é apresentada e o estudo de caso realizado permite a avaliação da proposta. A originalidade deste trabalho é verificada através do estudo do estado da arte. Os resultados obtidos de um estudo de caso demonstram o grande potencial da proposta, com reduções significativas nos tempos de agregação e manutenção da rede. A proposta de descentralização possibilita configurações e modos operacionais antes impossíveis no WirelessHART, tais como o uso de dispositivos móveis ou intermitentes e o emprego de técnicas de handover. / The use of wireless devices in industrial systems for process monitoring and control has been gradually increasing. The high costs of cabling encourage plant managers to consider the use of such industrial wireless systems, since they promote large reductions in final costs. However, the link robustness and the real-time communication requirements are frequently cited as real obstacles to the use of wireless technologies in the industry. Ahead of other organizations, the HART Foundation launched the in 2007WirelessHART, which is the first open standard for wireless communications developed specifically for industrial environments. WirelessHART is a reliable and secure protocol and provide real-time communications but the thorough study of this protocol reveals several possibile improvements. In this protocol, network management is done centrally, ensuring simplicity and control over the scheduling, routing and messaging security. Moreover, large latency, especially in the connection and disconnection processes of field devices, preclude the use of mobile or intermittent devices. The concentration of one element in management also leads to the system fragility: if the central manager fails the entire network fail. In this work, a innovative WirelessHART network achitecture is presented and implemented by means of hardware-based distributed network manager coprocessors to enable decentralization and its blessings. The developed system allows different decentralized, partial or total architectures with minimal changes to the original protocol. A hardware-based solution maintains field devices with its low cost and consumption features and allow coexistence with certified equipment. The decentralization methodology along with its originality is presented and case study allows the evaluation of the proposal. The results demonstrate the architecture has great potential with significant reductions in join and maintenance times. The proposed decentralization enables configurations and operating modes previously impossible in WirelessHART such as the use of mobile or intermittent devices and handover techniques.