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

Neste trabalho, considera-se uma rede sem fio cooperativa em que múltiplas fontes com restrições energéticas cooperam para transmitir informações independentes a um destino comum. Assume-se também que toda a energia disponível nas fontes é captada a partir de transmissões de radiofrequência realizadas pelo destino (o qual é considerado não possuir restrições de energia), sendo dependente das condições instantâneas do canal. Dessa forma, estabelece-se um protocolo de comutação temporal em que em parte do tempo as fontes são carregadas pelo destino, e no restante do tempo transmitem as suas informações. Utilizando-se a probabilidade de outage comométrica de desempenho, analisa-se o desempenho de alguns protocolos cooperativos com transferência sem fio de energia, a saber: decodifica-e-encaminha(EDF), cooperação por codificação de rede (ENC) e cooperação por codificação de rede generalizada (EGNC). Expressões fechadas são desenvolvidas para calcular a probabilidade de outage dos protocolos cooperativos descritos acima, assim como o tempo de carregamento ótimo para minimizar a referida probabilidade e a máxima taxa alcançável para uma probabilidade de outage alvo, mostrando que o protocolo EGNC apresenta o melhor desempenho dentre os protocolos cooperativos considerados e que a transmissão direta (sem cooperação). Simulações numéricas são realizadas para se comprovar a precisão das expressões desenvolvidas e finalmente se enumeram sugestões para a continuação do trabalho. / In this work, we consider a multiuser cooperative wireless network where multiple energy-constrained sources have independent information to transmit to a common destination. The destination, which is assumed to be externally powered, is responsible for transferring energy wirelessly to the sources. The total amount of harvested energy is a function of instantaneous channel conditions. In this scenario, a time-switching protocol is developed where in a fraction of time the sources harvest energy and then use this energy to transmit information. Using the outage probability as a metric, we evaluate the performance of some energy transfer cooperative protocols, namely: energy transfer decode-and-forward (EDF), energy transfer network coding cooperation (ENC) and energy transfer generalized network coding cooperation (EGNC). We obtain a closed-form approximation for the system outage probability, as well as an approximation for the optimal energy transfer period that minimizes such outage probability showing that EGNC protocol presents the best performance among the considered protocols and when compared with the direct transmission. Numerical results are also presented to validate the theoretical results. Finally, suggestions about future works are presented.

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

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

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T01:21:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CaceresZuniga_YusefRafael_D.pdf: 1196886 bytes, checksum: b589961266e398a3fd22bfd7b30719e4 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Nesta tese, estuda-se o problema da alocação de potência através de duas abordagens: estocástica e robusta, sendo os ganhos do canal, que descrevem o estado do sistema de comunicações sem fio, parcialmente observados pelo decisor. Na abordagem estocástica, considera-se que os ganhos do canal são variáveis aleatórias, que representam a variação rápida do sinal de rádio. Nesse contexto, reformula-se o índice de desempenho do sistema através do CVaR (Conditional. Value-at-Risk). Na abordagem robusta, considera-se que os ganhos do canal e o ruído pertencem a um determinado conjunto convexo. Em ambas as abordagens, a solução ótima é obtida em termos de um problema de otimização convexa. Adicionalmente, na abordagem estocástica, apresenta-se um algoritmo recursivo e distribuído, que converge para uma solução subótima, quando o ruído é nulo e a potência transmitida é limitada tanto superior como inferiormente. Também mostra-se que, em um sistema onde os ganhos do canal coincidem com o seu valor esperado, esse algoritmo converge para a soluçãã ótima quando a qualidade do enlace é muito maior que a mínima requerida / Abstract: This thesis deals with the power allocation problem under the stochastic and robust approaches, where the channel gains describe the wireless communication system state and are partially known by the controller. The stochastic approach considers the channel gains as random variables which represent the fast fading of the radio signal. Under these settings, the system performance index is reformulated using CVaR (Conditional Value-at-Risk). The robust approach considers that the channels gains and noise belong to a determined convex set. ln both approaches, the optimal solution is determined in terms of a convex optimization problem. Additionally, under the stochastic approach, a recursive and distributed algorithm is presented which converges to its suboptimal solution when noise is null and the transmitted power is upper and lower bounded. It is also show that this algorithm converges to its optimal solution when the link quality is much greater than the minimum required quality in a system where the channels gains match its expected value / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T09:17:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Medeiros_AlvaroAugustoMachadode_D.pdf: 910419 bytes, checksum: 8fee720ee964b6908659ff1ab27c754e (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: As redes ad hoc são redes sem um controle centralizado, cujos nós se comunicam através de um canal sem fio diretamente ou através de múltiplos saltos. Uma questão complexa referente a redes ad hoc é o cálculo da capacidade. Estimar quantas transmissões a rede permite, garantindo qualidade de serviço aos usuarios é uma tarefa difícil em virtude de duas características da rede: o canal sem fio e as transmissões em múltiplos saltos. Este trabalho propõe um novo método para cálculo da capacidade através da probabilidade de outage que considera ambos os aspectos. Este método apresenta vantagens como fácil implantação, baixo esforço computacional e resultados praticamente indistinguíveis daqueles obtidos atraves de simulação. O metodo pode ser aplicado aos mais variados ambientes de propagação e qualquer topologia de rede. Modelos de interferência mais realistas, bem como a questão do roteamento são também abordados ao longo do trabalho / Abstract: Ad hoc networks are networks that operate without centralized control, whose nodes communicate through wireless links in a single or multihop way. A complex issue about ad hoc networks is the capacity estimation. The computation of how many transmissions the network can support ensuring a quality of service for its users is a difficult task due to two central aspects: the wireless medium and the multihop nature of transmissions. An analytical method to calculate the capacity through the computation of the outage probability considering both aspects is proposed in this work. This method presents advantages such as simple implementation, low computational efforts and practically indistinguishable results from those obtained through simulation. This method can be applied to many propagation environments and to any network topology. More realistic interference models and the routing issue are also described along this work / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Shusaburo Motoyama / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T03:22:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marques_LeandroBentoSena_M.pdf: 2511927 bytes, checksum: 046043b18faff2ea54b0ccb236d8ae9b (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho é apresentado um estudo do desempenho do enlace direto do sistema 1xEV-DO. O estudo enfatiza o impacto da adoção de modelos de tráfegos reais tais como HTTP, FTP e WAP e de diferentes escalonadores. Através de simulação são analisados: o atraso médio dos pacotes, a vazão e percentual de perda de cada tipo de tráfego em função da carga de tráfego. É adotado neste estudo o escalonamento FIFO, com prioridade, WFQ e DRR. Os resultados mostram que o sistema 1xEV-DO padronizado permite transmissões de dados a altas taxas de bits. É mostrado, também, que a introdução de outros escalonadores podem melhorar ainda mais o desempenho do sistema / Abstract: The forward link performance study of the 1xEV- DO system is presented in this work. The study emphasizes the impact of the adoption of the real traf c mode1s such as HTTP, FTP and WAP and several different schedulers. The average packet delay, the throughput and each traf c loss percentage are analyzed through simulation in function of traf c load. It is adopted in this study schedulers FIFO, with priority, WFQ and DRR. The results show that standardized 1xEV-DO system allows data transmission at high bits rates. It is also shown that the system performance can still enhanced by introducing others schedulers / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Michel Daoud Yacoub / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T06:51:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_DanielBenevidesda_M.pdf: 1293492 bytes, checksum: 3aa8e540fd57db56b2ee4469c60307be (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta dissertação provê uma análise das estatísticas de ordem superior para canais de desvanecimento WeibuII e Nakagami-m. Considerando canais de desvanecimento WeibulI, devido à ausência de um modelo físico para tais canais, estatísticas conjuntas de duas variáveis WeibuII correlacionadas foram obtidas em forma fechada e em função de parâmetros físicos bem conhecidos. Outra estatística encontrada foi a taxa de cruzamento de nível e a duração média de desvanecimento usando diversidade com dois ramos para canais WeibuII correlacionados, desbalanceados e não-idênticos. Além disso, uma caracterização do comportamento do processo de fase e de sua derivada temporal para sinais WeibuII foi realizada. Analisando canais de desvanecimento Nakagami-m, uma expressão simples e em forma fechada para a taxa de cruzamento de fase generalizada foi obtida. Resultados de simulação completamente validaram a formulação proposta. Além disso, novas estatísticas em forma fechada para a envoltória, para as componentes em fase e em quadratura, para a fase e para suas respectivas derivadas temporais foram obtidas / Abstract: This dissertation provides an analysis of the higher order statistics for WeibuII and Nakagami-m fading channels. Conceming WeibuII fading channels, due to the absence of a fading model related of such channels, joint statistics for two correlated WeibuII variates were obtained in cIosed-form and in terms of welI-known physical parameters. Other statistics found were the levei crossing rate and the average fade duration for unbalanced, non-identical, correlated WeibuII channels operating over two branches of diversity. Furthermore, a characterization of the behaviour of the phase process and its time derivative for WeibuII signals was accomplish. Conceming Nakagami-m fading channeIs, a simple and cIosed-form expression for the generalized phase crossing rate was obtained. Results of simulation thoroughly validated the formulation proposed. Moreover, new cIosed-form statistics for the envelope, for the in-phase and quadrature components, for the phase and its respective time derivative were derived. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Submitted by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-12-12T17:31:05Z No. of bitstreams: 1 Dissertação-Victor Hugo Teles Costa-2013.pdf: 20678399 bytes, checksum: a39c778934ebe127bd74f506467fe0a3 (MD5) / Rejected by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com), reason: on 2014-12-12T17:31:57Z (GMT) / Submitted by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-12-12T19:42:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação-Victor Hugo Teles Costa-2013.pdf: 20678399 bytes, checksum: a39c778934ebe127bd74f506467fe0a3 (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2014-12-16T09:25:22Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação-Victor Hugo Teles Costa-2013.pdf: 20678399 bytes, checksum: a39c778934ebe127bd74f506467fe0a3 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-12-16T09:25:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação-Victor Hugo Teles Costa-2013.pdf: 20678399 bytes, checksum: a39c778934ebe127bd74f506467fe0a3 (MD5) Previous issue date: 2013-12-06 / This paper presents a model based on Markov Chains and enhanced with the use of Kernel Density Estimation and of MMFM (Markov Modulated Fluid Model) in order to evaluate the performance of the transmission link in OFDMTDMA systems. For that purpose, traffic models based on the Kernel method and the MMFM with adjusted autocorrelation function are proposed. From the model implemented for the OFDM-TDMA system, it was derived equations for estimation of QoS parameters such as delay and average queue size in the buffer. The obtained results confirm that the proposed model is efficient in describing the link performance indicators. The use of MMFM to model the arrival process improves the QoS parameter estimates of the queueing model making their values very close to those of the simulation results. It was also developed an equation to the OFDMTDMA system’s service curve. Through this equation and the concept of Envelope Process, it was proposed an equation to estimate the probability of buffer overflow in OFDM-TDMA systems. The results show that the estimates of the overflow probability based on the system’s service curve are very close to the ones obtained by simulations and that the computational complexity to obtain them is significantly reduced compared to the model based on Markov Chains due to the absence of matrix computation. / Este trabalho apresenta um modelo baseado em Cadeias de Markov e aprimorado com o uso do método de Kernel de estimação não-paramétrica e de MMFM (Markov Modulated Fluid Model) com o objetivo de avaliar e descrever o desempenho do enlace de transmissão em sistemas OFDM-TDMA. Para tal, modelos de tráfego baseados no Método de Kernel e em MMFM com ajuste da função de autocorrelação são propostos. A partir do modelo implementado para o sistema OFDM-TDMA, foram obtidas equações para estimação de parâmetros de QoS como retardo e tamanho médio da fila no buffer. Os resultados obtidos confirmam que o modelo proposto é bastante eficiente ao descrever os indicadores de desempenho do sistema. O uso de MMFM para modelar o processo de chegada de pacotes aprimora os estimadores de parâmetros de QoS tornando as estimativas bem próximas dos valores obtidos com as simulações. Também deduziu-se uma equação para a curva de serviço de Sistemas OFDM-TDMA. Em seguida, utilizando-se desta curva de serviço e do conceito de Processo Envelope foi proposta uma equação para estimação de probabilidade de transbordo do buffer em sistemas OFDM-TDMA. Os resultados obtidos mostram que as estimativas de probabilidade de transbordo baseadas na curva de serviço do sistema se aproximam bem dos resultados da simulação e a complexidade computacional do cálculo necessário para obtê-los é significativamente reduzida em relação ao modelo definido utilizando Cadeias de Markov.

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.