Massive MIMO communication systems have been highlighted as the main technology for physical layer of next generation communication standards, like 5G. While conventional communication between BS and its covered users is performed in orthogonal time-frequency resources, the improved interuser interference mitigation capability provided by the large number of BS antennas enables the BS to communicate with several users in the same time-frequency resource. This better usage of available but scarce spectrum elevates the spectral efficiency to very appreciable levels, and has a similar effect on energy efficiency, since the transmit power is not increased. On the other hand, if the objective is to provide a target performance for the users, the required transmit power in both direct and reverse links can be made inversely proportional to the number of BS antennas employed. In this Doctoral Thesis, several important aspects of massive MIMO systems are systematically investigated aiming to improve their energy and spectral efficiencies. We can enumerate our main contributions as follows. Considering a cellular massive MIMO network, we proposed an optimized assignment policy of training sequences to the users, which is then combined with suitable power control algorithms. We have also investigated the adoption of alternative waveforms in this scenario, such as single-carrier transmission, in order to overcome the issues of conventional OFDM. Our contributions in this topic are to derive analytical performance expressions for a time-domain single-carrier equalizer taking advantage of the large number of BS antennas, and to evaluate and compare the total energy efficiency of OFDM versus single-carrier massive MIMO systems. Finally, considering crowded massive MIMO networks, composed by both human users as well as machine-type communication devices, we proposed an improved random access protocol aiming to decrease the average number of access attempts for the users and decreasing the probability of failed access attempts. / Sistemas de comunicação de múltiplas antenas (multiple-input multiple-output - MIMO) têm se destacado como a principal tecnologia para a camada física dos padrões de comunicação da próxima geração, como o 5G. Enquanto a comunicação convencional entre a estação base (base station - BS) e seus usuários atendidos é realizada em recursos ortogonais de tempo-frequência, a grande capacidade de redução da interferência interusuários possibilitada pelo grande número de antenas da BS habilita a BS a se comunicar com diversos usuários no mesmo recurso tempo-frequência. Este melhor uso do escasso espectro disponível eleva a eficiência espectral a níveis muito apreciáveis, e tem um efeito similar na eficiência energética, pois a potência de transmissão não é aumentada. Por outro lado, se o objetivo é fornecer um desempenho desejado para os usuários, a potência de transmissão necessária em ambos os enlaces direto e reverso pode ser feita inversamente proporcional ao número de antenas na BS. Nesta Tese de Doutorado, diversos aspectos importantes de sistemas MIMO massivo são sistematicamente investigados com o objetivo de melhorar suas eficiências energética e espectral. Pode-se enumerar as principais contribuições alcançadas como se segue. Considerando uma rede celular MIMO massivo, propõe-se uma política de atribuição de sequências de treinamento aos usuários otimizada, a qual é depois combinada com apropriados algoritmos de controle de potência. Também investiga-se a adoção neste cenário de formas de onda alternativas, tal como a transmissão de portadora única, visando superar as deficiências da convencional multiplexagem por divisão de portadoras ortogonais (orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM). As principais contribuições obtidas neste tema são derivar expressões de desempenho analíticas para um equalizador de portadora única no domínio do tempo que aproveita o grande número de antenas na BS, e avaliar e comparar a eficiência energética total de sistemas MIMO massivo OFDM versus portadora única. Finalmente, considerando redes MIMO massivo sobrecarregadas, compostas por usuários humanos bem como dispositivos de comunicação do tipo máquina, propõe-se um protocolo de acesso aleatório melhorado visando diminuir o número médio de tentativas de acesso para os usuários e diminuir a probabilidade de falhas de tentativa de acesso.

Redes de computadores orientadas à sustentabilidade ou eficientes energeticamente têm a capacidade de adaptar dinamicamente os modos de consumo de energia dos seus dispositivos de acordo com a demanda do tráfego da rede. Por exemplo, colocar no estado dormente os dispositivos que estão abaixo de um nível de utilização predeterminado, considerado de baixa carga. Neste cenário, existem novos desafios no que diz respeito ao modo como confiabilidade e disponibilidade da rede são avaliadas. O cálculo de confiabilidade e disponibilidade é comumente realizado através das técnicas de cadeia de Markov, ou Conjuntos-Conexos e Conjuntos-Desconexos. Porém, tradicionalmente, estas técnicas são baseadas em valores estáticos e não levam em consideração as mudanças dinâmicas que são inseridas no contexto de redes sustentáveis. Desta forma, este trabalho tem como principais objetivos prover um método capaz de avaliar o impacto na confiabilidade ou disponibilidade da rede, quando alguns dispositivos são colocados e tirados de modos de economia de energia, e apresentar a relação de compromisso entre economia de energia, confiabilidade e disponibilidade da rede. O método proposto, chamado REASoN, é uma composição dos dois métodos supracitados, que foram estendidos de forma a considerar no cálculo a dinamicidade dos ajustes dos níveis de energia. Para fins de avaliação, o trabalho realiza um cálculo numérico empregando o método REASoN, em que foi avaliada a confiabilidade dos dispositivos quando colocados no estado dormente. Os impactos de operações de eficiência energética nas métricas de confiabilidade são expressos como mudanças na quinta casa decimal da confiabilidade da rede como 52 minutos de inatividade de componentes da rede e na quarta casa decimal da disponibilidade com 8h de inatividade. Para uma empresa de transações bancárias, 8h de inatividade pode significar R$ 1 bilhão de perda. O trabalho analisa, também, a implementação do REASoN dentro do contexto de um sistema de gerenciamento de rede orientado a sustentabilidade. Os resultados mostram que, quando o sistema não prioriza disponibilidade e confiabilidade, a economia de energia é de 43%. Já quando a disponibilidade e confiabilidade são priorizadas, a economia é de 27%, um valor representativo. Concluímos que o REASoN é uma ferramenta de grande utilidade para a tomada de decisão em redes de computadores sustentáveis, servindo, como base, para uma análise mais acurada sobre o impacto de mecanismos de economia de energia. / Sustainability-oriented computer networks or energy efficient networks have the ability to dynamically adapt the network device power modes in accordance with the demand of network traffic. For example, by putting to sleep devices that handle traffic below a threshold. In this scenario, new challenges appear in the way that the reliability and availability of the network are evaluated. The calculation of reliability and availability is commonly accomplished through techniques such as Markov chain, or Cut-Set and Tie-Set. However, traditionally these techniques are based on static values and do not take into account the dynamic changes that are in the context of sustainable networks. Thus, this study first aims at providing a method to assess the impact on reliability or availability of the network when some devices are put to sleep. Second, it aims at presenting the trade-off between saving energy and changing the reliability and availability of the network. The proposed method, called REASoN, is a composition of two known methods: Markov chain and Cut-Set and Tie-Set, which were extended in order to consider in calculation the dynamic adjustments of the energy levels. To evaluate the proposed method, the work performs a numerical evaluation. In addition, we evaluated the reliability of the network. The results show that the impact of saving energy might change the reliability in six decimal. The work also analyzes REASoN implemented in a network management system oriented to sustainability, called SustNMS. The results show that when the system prioritizes energy efficiency and accepts decreases on availability, the energy savings reach 43%. However, if the system prioritizes availability the energy savings reach 27%. Hence, REASoN is a powerful tool that can be used for decision making in sustainability-oriented computer networks, achieving a more accurate analysis of the impacts of saving energy.

O consumo de energia embutida nas edificações acontece ao longo do seu ciclo de vida nas atividades relacionadas com a construção e manutenção. Trata-se de um consumo de cálculo complexo uma vez que o seu valor está contabilizado em outros setores econômicos como o setor industrial de produção de materiais construção e o setor de transportes. A contribuição da energia embutida nas edificações do Brasil chega a 40% do seu ciclo de vida energético. Para além disso as necessidades de infraestrutura no país, em particular no setor residencial, deverão resultar em elevados consumos energéticos para a sua construção, contribuindo para pressionar as necessidades de expansão dos sistemas de oferta de energia. Neste contexto, o objetivo central desta pesquisa é calcular a energia embutida na construção de um condomínio residencial na cidade de Campo Grande no Estado de Mato Grosso do Sul. Para tal foi utilizada um metodologia baseada em Avaliação de Ciclo de Vida Energético (ACVE) tendo sido considerados dois cenários que diferem quanto à eficiência energética na etapa do transporte. Obteve-se um consumo de energia embutida inicial por unidade de área de 4,99 GJ/m2 para o cenário 1 e 5,52 GJ/m2 para o cenário 2, com participações de energia não renovável de 61,2% e 64,2%, respectivamente. No cenário 1 a etapa de fabricação dos materiais respondeu por 96,1% do consumo de energia embutida, o transporte contribuiu com 3,2% e a construção com 0,7%. Já no cenário 2, a participação de cada etapa foi de 86,8%, 12,6% e 0,6% respectivamente. Os resultados do estudo de caso apresentado e o panorama elaborado sobre a energia embutida nas edificações brasileiras realizado nesta tese reforçam a necessidade de incluir a energia embutida como critério de eficiência energética no desenvolvimento de políticas públicas que contribuam para reduzir o consumo de energia no setor de edificações. / The embodied energy in buildings is an energy consumption that happens throughout its life cycle in the activities related to construction and maintenance. Embodied energy calculation is a complex process since its value is accounted for in other economic sectors such as the manufacture of building materials and transportation. The contribution of embodied energy in Brazilian buildings reaches 40% of its energy consumption life cycle. In addition, infrastructure needs in the country, particularly in the residential sector, should result in high energy consumption for its construction, contributing to put pressure on the expansion needs of the energy supply system. In this context, the main objective of this research is to calculate the embodied energy in the construction of a residential condominium in the city of Campo Grande in the State of Mato Grosso do Sul. A methodology based on Life Cycle Energy Assessment (LCEA) was used considering two scenarios that differ in terms of energy efficiency at the transportation stage. Initial Embodied Energy per unit area was 4.99 GJ/m2 for scenario 1 and 5.52 GJ/m2 for scenario 2, with a non-renewable energy share of 61.2% and 64, 2%, respectively. In scenario 1, the material manufacturing stage accounted for 96.1% of the initial embodied energy value, transportation contributed with a share of 3.2% and the construction stage with 0.7%. In scenario 2, the share of each stage was 86.8%, 12.6% and 0.6%, respectively. The results of the presented case study and the elaborated panorama on the embodied energy in Brazilian buildings carried out in this thesis reinforce the need to include embodied energy as a criterion of energy efficiency in the development of public policies that contribute to reduce energy consumption in the building sector.

Submitted by DARWIN ALEXIS QUIJANO RODEZNO (alexisqr@yahoo.es) on 2018-05-08T15:12:06Z No. of bitstreams: 1 TeseDarwinQuijano.pdf: 3515679 bytes, checksum: f52d72089eda5a3bb15b367d3afbf33a (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-05-08T17:48:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 quijanorodezno_da_dr_ilha.pdf: 3515679 bytes, checksum: f52d72089eda5a3bb15b367d3afbf33a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-08T17:48:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 quijanorodezno_da_dr_ilha.pdf: 3515679 bytes, checksum: f52d72089eda5a3bb15b367d3afbf33a (MD5) Previous issue date: 2018-04-19 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Atualmente, existe uma tendência para aumentar a participação da Geração Distribuída (GD) baseada em Fontes de Energia Renováveis (FER) no suprimento do consumo global de energia elétrica. Esta tendência está sendo impulsionada principalmente por iniciativas governamentais destinadas a aumentar a eficiência energética, aumentar o uso da energia proveniente das FER e reduzir as emissões de gases de efeito estufa. No entanto, à medida que seu nível de penetração aumenta, a GD pode dar origem a um sistema incapaz de fornecer energia de forma confiável e de acordo com os padrões de qualidade. Nesse cenário, a Gestão de Redes Ativas (GRA) surge como uma alternativa para a integração de grandes montantes de GD. A GRA promove a disponibilização de instrumentos comerciais e regulatórios, e o fornecimento das redes de distribuição com tecnologias de automação para procurar serviços ancilares e flexibilidade a partir da GD. A GRA requer o desenvolvimento de ferramentas computacionais para coordenar a implementação de esquemas de controle inteligentes, chamados de esquemas de GRA, a fim de otimizar a utilização e operação das redes. Neste trabalho, são propostos modelos de otimização e técnicas de solução para a GRA considerando a integração de GD solar fotovoltaica e eólica e a eficiência energética. O primeiro modelo é desenvolvido para determinar a capacidade máxima de GD que pode ser alocada em uma rede de distribuição quando se considera o efeito da tensão na eficiência das cargas. No segundo modelo, o procedimento de controlar os níveis de tensão para reduzir a demanda das cargas é implementado para economia de energia e para o balanço de geração e demanda, através de uma estratégia projetada para o planejamento da operação de redes de distribuição ativas. Em ambos os modelos as incertezas são consideradas através de formulações de programação estocásticas de dois estágios. Os esquemas de GRA considerados são o controle coordenado da tensão através de reguladores de tensão e transformadores com comutador de tap sob carga, suporte de potência reativa através da GD, e corte de geração. A técnica de solução envolve a discretização das funções de densidade de probabilidade que definem os parâmetros incertos através de um processo de geração e redução de cenários. Depois, o método de decomposição de Benders é aplicado para reduzir o esforço computacional necessário para resolver os problemas formulados. Os algoritmos desenvolvidos foram testados em dois sistemas teste IEEE e os resultados mostraram benefícios importantes para a integração de GD e a eficiência energética. / Nowadays, there is a trend to increase the participation of distributed generation (DG) based on renewable energy sources in supplying the global electricity consumption. This trend is being driven mainly by government initiatives to increase energy efficiency, convert the energy use to renewable sources and reduce greenhouse gas emissions. However, as its penetration level increases, the DG can give rise to a system unable to deliver energy reliably and according to quality standards. In this scenario, active network management (ANM) emerges as an alternative for the integration of large amounts of DG. ANM promotes the availability of commercial and regulatory instruments and the provision of distribution networks with automation technologies for procuring ancillary services and flexibility from the DG. ANM requires the development of computational tools to coordinate the implementation of intelligent control schemes, called ANM schemes, in order to optimize the utilization and operation of distribution networks. In this work, optimization models and solution techniques are proposed for ANM considering the integration of solar and wind-based DG and energy efficiency. The first model is developed to determine the maximum capacity of DG that can be allocated in a distribution network when considering the effect of voltage on load efficiency. In the second model, the procedure of controlling the voltage levels to reduce the load demand is implemented for energy saving and for balancing the demand and generation, in a strategy designed for the operation planning of active distribution networks. In both models the uncertainties are considered through two-stage stochastic programming formulations. The ANM schemes considered are the coordinated voltage control through voltage regulators and transformers with on-load tap changer, reactive power support from the DG, and DG generation curtailment. The solution technique involves the discretization of the probability density functions that define the uncertain parameters through a scenario generation and reduction process. Then, the Benders decomposition method is applied in order to reduce the computational effort required to solve the formulated problems. The developed algorithms were tested in two IEEE test systems and the results showed important benefits for the integration of DG and energy efficiency. / 2014/14201-0 e 2015/12911-3

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:05:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bruna Gomes Casagrande.pdf: 1917905 bytes, checksum: e718bea85f7b6f30f9d853432b991194 (MD5) Previous issue date: 2013-08-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Ao mesmo tempo em que foram desenvolvidos no Brasil programas com a meta de racionalização do sistema energético nacional, motivados principalmente pelas crises enfrentadas pelo país, como o racionamento de 2001, estudos a respeito do comportamento do clima em escala mundial apresentaram avanços expressivos, acilitados pela evolução tecnológica e computacional. Entre as estratégias para contenção do desperdício da energia produzida está o consumo pelas edificações, uma vez que a adoção de sistemas construtivos adequados pode reduzir o consumo final de eletricidade. Tal constatação constitui um dos preceitos da arquitetura bioclimática, que preconiza a necessidade de adaptação do edifício ao clima local, sendo, para isso, imprescindível a compreensão dos fenômenos climáticos. Desta forma, o princípio que conduziu esta pesquisa foi o comportamento variável do clima, consenso para grande parte dos climatologistas, e suas consequências para as demandas energéticas futuras, particularmente durante o ciclo de vida planejado para cada edifício. Investigar o impacto das mudanças projetadas para o clima ao longo do século XXI no desempenho termoenergético de edificações comerciais artificialmente climatizadas localizadas em diferentes cidades do Brasil foi o principal objetivo deste estudo. Os procedimentos metodológicos foram divididos em quatro etapas, iniciando-se por uma ampla revisão bibliográfica sobre a temática central mudanças climáticas bem como os temas correlacionados, com especial ênfase para a associação entre conforto térmico e a questão energética. Na segunda etapa foram estabelecidos os mecanismos para preparação de arquivos climáticos futuros, incluindo-se a seleção de cidades para representação das diferentes condições geográficas do território brasileiro. Posteriormente foi efetuado o recorte do objeto, com a indicação dos parâmetros de controle e das variáveis em análise, designandose as características do edifício que não serão afetadas por intervenções futuras: percentual de abertura nas fachadas, dispositivos de proteção solar e orientação das maiores fachadas. A etapa final foi dedicada às simulações, realizadas no programa DesignBuilder a partir da configuração dos 192 modelos paramétricos. Os resultados da aplicação da metodologia, analisados quantitativa e qualitativamente, reproduziram, de forma generalizada, um aumento no consumo de 10,7% em 2020, 16,9% em 2050 e 25,6% em 2080, em relação ao consumo atual. Apesar da significância desse aumento, inclusive para o planejamento energético nacional, aumentos mais expressivos foram registrados em estudos internacionais, reforçando a necessidade de consideração dos fenômenos regionais na preparação de dados climáticos futuros neste tipo de pesquisa. Em Recife, a variação de parâmetros construtivos não provocou diferenças tão significativas nas taxas de aumento do consumo quanto nas outras cinco localidades, sendo que Brasília apresentou as maiores taxas de aumento. Considerando-se os edifícios de todas as cidades, a presença de dispositivos de proteção solar foi a variável com maior impacto para diminuição do consumo, e o edifício orientado a Leste e Oeste, com grandes aberturas desprotegidas, apresentou consumo significativamente superior aos outros modelos, atual e futuramente. Por fim, ao contrário da maioria dos resultados mensais observados, em Porto Alegre ocorreu uma diminuição no consumo em alguns meses de 2020 e 2050, ocasionada possivelmente pela diminuição dos períodos de utilização da climatização artificial para aquecimento / At the same time that programs were developed in Brazil with the goal of the national energy system rationalization, mainly motivated by the crisis faced by the country as in the rationing of 2001 studies of the climate s behavior on a global scale showed significant advances, facilitated by technological and computational development. One of the strategies for containment the waste energy produced is the energy consumption by buildings, since the adoption of appropriate constructive systems can reduce the final electricity consumption. This was a principle of bioclimatic architecture, which recommends an adaptation of the building to the local climate conditions, and for that, it is essential to understand the climate system. Therefore, the principle that guided the development of this research was the variable behavior of the climate, which is consensus for most climatologists, and its consequences for the future energy demands of buildings, particularly along the planned life cycle for each building. The main objective of this study was to investigate the impact of projected changes to the climate over the twenty-first century in the thermo energetic performance of commercial buildings artificially acclimatized located in different cities of Brazil. The methodological procedures were divided into four stages, initiating with an extensive literature review on the central theme climate change as well as related topics, with special emphasis on the relationship between thermal comfort and energy issue. In the second step mechanisms for preparing future climate files were established, including the selection of cities for representation of different geo-climatic conditions of the Brazilian territory. After that the definition of the object was performed, indicating the control parameters and variables in the analysis, assigning the characteristics of the building that will not be affected by future interventions window wall ratio, solar shading and orientation of the largest facades. The final step was dedicated to the simulations, performed in the program DesignBuilder from the configuration of the 192 parametric models. The results of applying the methodology, analyzed quantitatively and qualitatively, reproduced in generalized way an increase in energy consumption in buildings by 10.7% in 2020, 16.9% in 2050 and 25.6% in 2080, compared to current consumption. Although the significance of this increase, including the national energy planning, most significant increases were recorded in international studies, reinforcing the need for consideration of regional climate events in the preparation of future climate data in this type of research. In Recife, the variation of constructive parameters did not cause as significant differences in the rates of increase in consumption as the other five locations, and Brasilia had the highest rates of increase. Considering the buildings of all the cities, the presence of solar shading was the variable with the greatest impact on reducing energy consumption, and the building oriented east and west, with large unprotected openings, showed energy consumption significantly superior to other models, in all cities and periods. Finally, unlike most of monthly results observed, in Porto Alegre occurred a decrease in energy consumption in some months of 2020 and 2050, possibly caused by the reduction in time use of artificial air conditioning heating

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vitor Luiz Rigoti dos Anjos.pdf: 1989527 bytes, checksum: ff87f9a6cd0a1d2d7314336dc8689bf7 (MD5) Previous issue date: 2008-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Having in mind the necessity to pump heavy crude oil from notoriously sunny regions of Brazil (northern Brazil regions general speaking or northern Espirito Santo state specifically), the utilization of solar radiation appears as an alternative thermal source to heat on-shore pipelines and storage tanks. The present work exhibits the basic steps to project, design, construction and test of a parabolic solar concentrator prototype, as well as shows experimental results gotten from the activities developed by the whole project and points out some possibilities to enhance the system for future operations. Here, the main objective is to increase heat transfer to a tube installed on parabolic focus (absorber tube). Using distinct configurations for the absorbers tubes, the work fluid is heated and analysis are prosecuted over collected data aiming to reach the main goal, which is to study the pressure drop reduction by viscosity decreasing of heavy oils flow using solar energy collected by a parabolic concentrator. / Tendo em vista a necessidade de transportar óleos pesados produzidos em regiões notoriamente ensolaradas do Brasil (tais como o norte do estado do Espírito Santo e estados da região Nordeste), o aproveitamento da radiação solar incidente como fonte de energia térmica alternativa para aquecimento de oleodutos e tanques de armazenamento terrestres (on-shore) surge como uma solução para a redução da perda de carga induzida no escoamento através da redução da viscosidade do fluido. O presente trabalho apresenta de modo sucinto as etapas de dimensionamento, projeto, construção e teste de um protótipo de concentrador solar parabólico, bem como os resultados experimentais obtidos durante as atividades do projeto como um todo, além de apontar também novas possibilidades de melhoria do sistema para futuras operações. A principal proposta deste trabalho é a otimização do tubo absorvedor do concentrador solar, a fim de aumentar o aproveitamento da radiação incidente. Utilizando configurações distintas de tubos absorvedores instalados sobre o foco do concentrador solar parabólico experimental, o fluido de trabalho é aquecido e, de posse dos dados coletados nos experimentos são feitas as devidas análises para alcançar o objetivo do projeto principal, que é obter uma forma de redução da perda de carga em escoamentos de óleos pesados utilizando a energia solar coletada por um concentrador parabólico.

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2015-02-05T19:59:39Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pires de Castro - 2014.pdf: 1908182 bytes, checksum: edac87bddd8346a2bcce5d9b5f00301d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2015-02-05T20:00:48Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pires de Castro - 2014.pdf: 1908182 bytes, checksum: edac87bddd8346a2bcce5d9b5f00301d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:00:48Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pires de Castro - 2014.pdf: 1908182 bytes, checksum: edac87bddd8346a2bcce5d9b5f00301d (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-08-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Cloud computing is being consolidated as a new distributed systems paradigm, offering computing resources in a virtualized way and with unprecedented levels of flexibility, reliability, and scalability. Unfortunately, the benefits of cloud computing come at a high cost with regard to energy, mainly because of one of its core enablers, the data center. There are a number of proposals that seek to enhance energy efficiency in data centers. However, most of them focus only on the energy consumed by CPU and ignore the remaining hardware, e.g., RAM. In this work, we show the considerable impact that RAM can have on total energy consumption, particularly in servers with large amounts of this memory. We also propose three new approaches for dynamic consolidation of virtual machines (VMs) that take into account both CPU and RAM usage. We have implemented and evaluated our proposals in the CloudSim simulator using real-world traces and compared the results with state-of-the-art solutions. By adopting a wider view of the system, our proposals are able to reduce not only energy consumption but also the number of SLA violations, i.e., they provide a better service at a lower cost. / A computação em nuvem tem levado os sistemas distribuídos a um novo patamar, oferecendo recursos computacionais de forma virtualizada, flexível, robusta e escalar. Essas vantagens, no entanto, surgem juntamente com um alto consumo de energia nos centros de dados, ambientes que podem ter até centenas de milhares de servidores. Existem muitas propostas para alcançar eficiência energética em centros de dados para computação em nuvem. Entretanto, muitas propostas consideram apenas o consumo proveniente do uso de CPU e ignoram os demais componentes de hardware, e.g., RAM. Neste trabalho, mostramos o impacto considerável que RAM pode ter sobre o consumo total de energia, principalmente em servidores com grandes quantidades dessa memória. Também propomos três novas abordagens para consolidação dinâmica de máquinas virtuais, levando em conta tanto o consumo de CPU quanto de RAM. Nossas propostas foram implementadas e avaliadas no simulador CloudSim utilizando cargas de trabalho do mundo real. Os resultados foram comparados com soluções do estado-da-arte. Pela adoção de uma visão mais ampla do sistema, nossas propostas não apenas são capazes de reduzir o consumo de energia como também reduzem violações de SLA, i.e., proveem um serviço melhor a um custo mais baixo.

Os sistemas prediais de aquecimento de água são responsáveis por uma parcela significativa no consumo de energia do país, sendo que a eficiência do uso desta energia está relacionada com a qualidade dos projetos e de alternativas construtivas que possibilitam racionalizar o uso dos recursos naturais. Com a tendência de incorporação da medição individualizada de água e do aquecimento solar, algumas concepções de projetos hidráulicos foram alteradas, entre elas, a introdução de sistemas centrais coletivos de aquecimento de água no setor residencial. Porém, os métodos de dimensionamento destes sistemas são restritos à determinação do estado estático da infraestrutura e dos equipamentos envolvidos. Conhecendo as características de uso da população é possível introduzir sistemas de monitoração e gestão que alterem o dimensionamento das centrais de aquecimento, conforme a demanda instantânea, gerando reduções de perdas térmicas. Este trabalho consiste em analisar as variáveis de um sistema predial de aquecimento central a gás e o impacto na implantação de sistemas de monitoração e gestão. / The building systems of water heating are responsible for a significant parcel of energy consumption in country, and the efficiency of use of this energy is related to the quality of projects and constructive alternatives that allow rationalizing the use of natural resources. With the trend of incorporating the measurement of individual water and solar heating, some conceptions of hydraulic projects were changed including the introduction of collective central heating water in the residential sector. However, the methods of these systems are restricted to the determination of the static state of infrastructure and equipment involved. Knowing the characteristics of populations use is possible to introduce systems of monitoring and management to change the design of central heating as the instant demand, causing reductions in thermal losses.

Este trabalho propõe uma investigação sobre a influência da alocação da área de mancal em compressores herméticos para a refrigeração, considerando um motor Síncrono de Ímãs Permanentes com Partida Direta na Rede (LSPMSM) monofásico, e utilizando cálculos analíticos convencionais e o Método de Elementos Finitos (MEF). O recente aumento da preocupação com a eficiência energética tem levado muitos países a implantarem legislações que impõem necessidades de aumento de eficiência de motores elétricos. Neste contexto, o motor LSPMSM se apresenta como alternativa aos motores de indução convencionais visando à diminuição do consumo de energia elétrica, por exemplo, em refrigeradores. No entanto, a exigência de alocação de uma grande área para o mancal e por consequência a retirada de materiais ferromagnéticos do rotor pode diminuir o desempenho do motor LSPMSM inviabilizando assim sua aplicação. Para a realização deste estudo, foi adotada uma metodologia de projeto disponível na literatura para estabelecer as etapas do projeto a ser realizado. Tal referência de projeto, embora elaborada para ser utilizada em um motor LSPMSM trifásico, foi utilizada em um projeto de motor monofásico. Os resultados do ensaio foram comparados com os dados obtidos via simulações computacionais de tal forma a validar o método proposto e também avaliar o impacto da retirada de material do rotor no desempenho final do motor. Os resultados práticos ficaram próximos aos resultados obtidos em simulação validando a utilização da metodologia também em motores monofásicos. Desta forma foi possível visualizar o efeito da área de mancal no rotor que devido ao aumento da relutância do circuito magnético alterou os resultados do valor da tensão induzida dos ímãs. / This work proposes a study about the influence of the bearing area allocation in hermetic compressors for refrigeration, considering a single phase Line Start Permanent Magnets Synchronous Motor, and employing conventional analytical calculations and the Finite Element Method (MEF). Recent increase in concern about energy efficiency has led many countries to roll out laws that impose requirements to raise the electric motor efficiency. In this context the LSPMSM motor is an alternative over conventional induction motors for the purpose of seeking power consumption reduction. However, the requirement to allocate a large area for the bearing and thus removal of ferromagnetic materials of the rotor can reduce LSPMSM motor performance what may impede its implementation. For the accomplishment of this study it was adopted a methodology of design available in the literature to set up the steps to be followed. Such design reference was at first described to be applied in three phase LSPMSM, however in this work it was applied in a single phase motor. Tests results were compared with data obtained via computer simulations in a way to validate the proposed method and to assess the impact of material removal from de rotor on the motor performance. The obtained bench test results were close to those simulated ones validating the methodology to be used in single phase motors too. Therefore, it was feasible to notice the influence of the counterbore area in the rotor, which, due to the increased value of the circuit reluctance, changed induced voltage values related to the magnets.

Massive MIMO communication systems have been highlighted as the main technology for physical layer of next generation communication standards, like 5G. While conventional communication between BS and its covered users is performed in orthogonal time-frequency resources, the improved interuser interference mitigation capability provided by the large number of BS antennas enables the BS to communicate with several users in the same time-frequency resource. This better usage of available but scarce spectrum elevates the spectral efficiency to very appreciable levels, and has a similar effect on energy efficiency, since the transmit power is not increased. On the other hand, if the objective is to provide a target performance for the users, the required transmit power in both direct and reverse links can be made inversely proportional to the number of BS antennas employed. In this Doctoral Thesis, several important aspects of massive MIMO systems are systematically investigated aiming to improve their energy and spectral efficiencies. We can enumerate our main contributions as follows. Considering a cellular massive MIMO network, we proposed an optimized assignment policy of training sequences to the users, which is then combined with suitable power control algorithms. We have also investigated the adoption of alternative waveforms in this scenario, such as single-carrier transmission, in order to overcome the issues of conventional OFDM. Our contributions in this topic are to derive analytical performance expressions for a time-domain single-carrier equalizer taking advantage of the large number of BS antennas, and to evaluate and compare the total energy efficiency of OFDM versus single-carrier massive MIMO systems. Finally, considering crowded massive MIMO networks, composed by both human users as well as machine-type communication devices, we proposed an improved random access protocol aiming to decrease the average number of access attempts for the users and decreasing the probability of failed access attempts. / Sistemas de comunicação de múltiplas antenas (multiple-input multiple-output - MIMO) têm se destacado como a principal tecnologia para a camada física dos padrões de comunicação da próxima geração, como o 5G. Enquanto a comunicação convencional entre a estação base (base station - BS) e seus usuários atendidos é realizada em recursos ortogonais de tempo-frequência, a grande capacidade de redução da interferência interusuários possibilitada pelo grande número de antenas da BS habilita a BS a se comunicar com diversos usuários no mesmo recurso tempo-frequência. Este melhor uso do escasso espectro disponível eleva a eficiência espectral a níveis muito apreciáveis, e tem um efeito similar na eficiência energética, pois a potência de transmissão não é aumentada. Por outro lado, se o objetivo é fornecer um desempenho desejado para os usuários, a potência de transmissão necessária em ambos os enlaces direto e reverso pode ser feita inversamente proporcional ao número de antenas na BS. Nesta Tese de Doutorado, diversos aspectos importantes de sistemas MIMO massivo são sistematicamente investigados com o objetivo de melhorar suas eficiências energética e espectral. Pode-se enumerar as principais contribuições alcançadas como se segue. Considerando uma rede celular MIMO massivo, propõe-se uma política de atribuição de sequências de treinamento aos usuários otimizada, a qual é depois combinada com apropriados algoritmos de controle de potência. Também investiga-se a adoção neste cenário de formas de onda alternativas, tal como a transmissão de portadora única, visando superar as deficiências da convencional multiplexagem por divisão de portadoras ortogonais (orthogonal frequency-division multiplexing - OFDM). As principais contribuições obtidas neste tema são derivar expressões de desempenho analíticas para um equalizador de portadora única no domínio do tempo que aproveita o grande número de antenas na BS, e avaliar e comparar a eficiência energética total de sistemas MIMO massivo OFDM versus portadora única. Finalmente, considerando redes MIMO massivo sobrecarregadas, compostas por usuários humanos bem como dispositivos de comunicação do tipo máquina, propõe-se um protocolo de acesso aleatório melhorado visando diminuir o número médio de tentativas de acesso para os usuários e diminuir a probabilidade de falhas de tentativa de acesso.