As fontes renováveis de energia, em especial a energia solar fotovoltaica vem ganhando espaço nos últimos anos devido ao avanço da tecnologia, redução dos custos e redução das fontes não-renováveis. Os painéis fotovoltaicos isoladamente ou para pequenas aplicações geram uma baixa tensão de saída e a adequação dos níveis de tensão fornecidos em sua saída aos requeridos pela concessionária de energia elétrica é um desafio. Neste trabalho é apresentada uma nova estrutura modificada da topologia do conversor SEPIC que usa as técnicas de acoplamento magnético série e células multiplicadoras de tensão em conjunto, afim de obter um elevado ganho de tensão, visando a aplicação em fontes renováveis de energia. Optou-se pela solução não isolada, pois esta apresenta diversas vantagens em relação a solução isolada, como: menor peso, volume, custo e maior eficiência energética devido a menores perdas de potência nos indutores acoplados. Também, a utilização da indutância de dispersão, que é um parâmetro intrínseco de um acoplamento magnético, permite a operação com comutação suave ZCS (ZCS, do inglês Zero Current-Switching) no interruptor, aumentando a eficiência da estrutura com a redução das perdas por comutação. No decorrer do trabalho são realizadas as análises das etapas de operação de diversos conversores a partir do conversor SEPIC modificado, evolui-se pela adição de técnicas elevadoras de tensão até a estrutura proposta neste trabalho. Por fim, é realizado o controle em malha fechada utilizando um controlador PID analógico que fornece uma resposta rápida e consequente correção a possíveis mudanças na variável controlada. Os resultados teóricos e experimentais do conversor proposto são descritos neste trabalho para validar as análises desenvolvidas e demonstrar a eficiência da estrutura. O protótipo é desenvolvido para uma aplicação com potência nominal de 200 W, tensão nominal de saída igual a 450 V e uma tensão de entrada variando entre 20 V e 40 V. O rendimento obtido para o conversor proposto operando na frequência de 35 kHz na potência nominal é de 91,28% e eficiência igual a 89,04% para a potência nominal de 200 W na frequência de 90 kHz. / The renewable energy resources, in special the photovoltaic energy has been achieve more space in last years due to technology advances, cost reduction and decrease of the non-renewable energy sources. The photovoltaic panels in isolation or to small applications generate a low output voltage and to comply with of voltage levels provided in panel’s output to those required by electric power concessionaire is a challenge. In this work is presented a new structure modified of the SEPIC converter topology who uses the coupling magnetic series and voltage multiplier cell techniques together, in order to obtain a high voltage gain aiming at application in renewable energy resources. It was has been choosen non-isolated solution, because this present several advantages in relation to the isolated solution, such as: lower weight, volume, cost and high energy efficiency due to smaller power losses in the coupled inductors. The use leakage inductance, who is an intrinsic parameter of the a magnetic coupling, allows soft-switching operation ZCS in switch, increasing the structure’s efficiency with reduction of switching losses. During the work are perform the analysis of the operation steps of several converters as of the modified SEPIC converter and evolves by addition high voltage techniques until the structure proposed in this work. Finally, is performed the closed loop control using the analog PID controller who provides a fast response and consequent correction to possible changes in the controlled variable. The theoretical and experimental results of the proposed converter are described in this work to validate the developed analysis and demonstrate the structure’s efficiency. The prototype is developed to a application with nominal power of 200 W, nominal output voltage equal 450 V and an input voltage varying between 20 V and 40 V. The efficiency obtained to proposed converter operating in frequency of the 35 kHz in nominal power is 91,28% and efficiency equal 89,04% to nominal power in frequency of the 90 kHz.

Muitos sistemas apresentam imposições de confiabilidade e latência que se tornam mais difíceis de serem atingidas quando a rede em que o sistema opera é uma rede sem fio. Por outro lado, módulos sensores em uma rede desse tipo precisam economizar energia para evitar gastos com manutenção e estender seu tempo de vida, visto que muitas vezes estes módulos se encontram em locais de difícil acesso. Diversos estudos até aqui realizados mostram ser possível reduzir o consumo de energia de nós otimizando parâmetros da comunicação sem fio. O fato de o sistema exigir uma latência máxima implica que o número de retransmissões não pode ser ilimitado. Nesta dissertação é avaliada a minimização do consumo de energia otimizando parâmetros de comunicação como a ordem de modulação, a SNR (Signal-to-Noise Ratio), taxa de código e inclusive o número de retransmissões, em uma rede que possui exigências de confiabilidade, latência e potência máxima. Este trabalho considera uma comunicação através de um canal com desvanecimento do tipo Rayleigh, o uso de códigos corretores de erro convolucionais, além de S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) como técnica de retransmissão de mensagens. Ao final a mesma avaliação é feita, porém maximizando a eficiência energética do sistema, o que nos leva a perceber que o número máximo de retransmissões não sofre grande impacto quando o tipo de otimização é trocado. Os resultados mostram que a limitação de atraso impacta diretamente na seleção dos parâmetros. Quando o objetivo for reduzir o consumo energético ou aumentar a eficiência energética em um ambiente com limitação de latência nem sempre a melhor escolha será aumentar o número de retransmissões possíveis. Maiores atrasos permitem o uso de números de retransmissões maiores, estendendo o alcance dos dispositivos e reduzindo seu consumo. Além disso, aumentar a confiabilidade das entregas de pacotes impacta de maneira a dificultar a comunicação do ponto de vista energético. / Many systems present constraints of reliability and delay, which become harder to be achieved when the system operates through a wireless network. On the other hand, sensor modules in these networks need to save energy avoiding maintance costs and extending their lifetime, since these modules are usually located in places that are difficult to access. Several works have shown that is possible to reduce the energy consumption in sensor nodes optimizing wireless communication parameters. The fact that the system requires a maximum delay implies that the number of retransmissions cannot be unlimited. In this work we evaluate the energy consumption minimization, optimizing communication parameters such as the modulation order, the SNR (Signal-to-Noise Ratio), code rate, including the number of retransmissions, in a network with reliability, latency and maximum power requirements. This work considers that the wireless links are subjected to Rayleigh fading, while we employ convolutional error correcting codes and S-HARQ (Simple-Hybrid Automatic Repeat Request) as the retransmission technique. In addition, the same evaluation is made, but maximizating system’s energy efficiency, which yields small differences with respect to the case when the energy consumption is minimized. Results show that the delay constraints impact directly in communication parameters selection. Moreover, when the goal is to reduce energy consumption or to increase energy efficiency in a environment with latency constraints, it is not always a good choice to increase number of possible retransmissions. Higher delays allow the use of a large number of retransmission attempts, extending the device’s range and reducing its energy consumption. Furthermore, increasing package delivery realiability turns the communication task harder from the energy efficiency point of view.

CAPES / Nesta Tese de Doutorado propõe-se um modelo de consumo de energia para redes acústicas subaquáticas que leva em consideração as especificidades do ambiente subaquático, como a comunicação utilizando ondas acústicas, a dependência da largura de banda do canal com a perda de percurso, que varia tanto com a distância quanto com a frequência, e o ruído. O desvanecimento, resultado do multipercurso, normalmente modelado pelas distribuições Rayleigh e Rice nas transmissões terrestres, é modelado pela distribuição K, que melhor representa a severidade do ambiente subaquático. O modelo considera uma rede subaquática linear de múltiplos saltos e a possibilidade de retransmissões para calcular a energia total consumida para cada bit de informação transmitido com sucesso entre a fonte e o destino. A fim de obter o menor consumo de energia, a SNR e a frequência de operação também são otimizadas, sendo considerado o uso de códigos convolucionais, cuja taxa ótima que leva ao menor consumo é determinada. Uma análise teórica é desenvolvida para cenários com e sem limitação de atraso. No primeiro caso avalia-se o consumo de energia quando retransmissões não são permitidas ou devem ser limitadas e, portanto, uma FER residual deve ser tolerada. No segundo caso infinitas retransmissões são permitidas até que um pacote seja recebido sem erros. Para ambos cenários o número ótimo de saltos que minimiza o consumo de energia é determinado, e na sequência o impacto do número de tentativas de transmissão é considerado. Resultados numéricos são apresentados, mostrando que o esquema de múltiplos saltos é mais eficiente em termos de consumo de energia que a transmissão direta. Além disso, os resultados mostram que um número pequeno de tentativas de transmissão é suficiente para alcançar uma redução considerável no consumo de energia em redes de múltiplos saltos, limitando o atraso médio por pacote transmitido, o que é muito interessante em aplicações reais. / In this Thesis, an energy consumption model for underwater acoustic networks is proposed. The model takes into account the specificities of the underwater environment, such as the use of acoustic waves for communication, dependence of the underwater acoustic channel bandwidth with the path loss, which varies with both the distance and frequency, and noise. The fading, usually modeled by Rayleigh and Rice distributions on terrestrial communications, in this work, is modeled by the K distribution, which best represents the severity of the underwater environment. The model considers a linear multi-hop underwater network and the possibility of retransmissions to calculate the total energy consumed for each bit of information successfully transmitted between the source and the destination. In order to obtain the minimum energy, the SNR and the operating frequency are also optimized. The use of convolutional codes is considered and the optimal code rate, which leads to the minimum energy consumption, is determined. A theoretical analysis was developed for two scenarios: delay constrained and delay unconstrained networks, indicating the optimal number of hops which minimizes energy consumption. Next, the impact of the number of transmission trials was considered. A numerical analysis was also performed for both the scenarios. The numerical results validate the theoretical analysis, showing that the multi-hop scheme is more efficient in terms of energy consumption when compared to direct transmission. Furthermore, the results show that a small number of transmission trials is sufficient to achieve a considerable reduction in energy consumption in multi-hop networks, limiting the average delay per packet transmitted, which is very interesting in real applications.

O interesse na medição do perfil de velocidade na área de fluidodinâmica tem crescido nos últimos anos devido a evolução das técnicas de medição. Nesse contexto, a técnica ultrassônica tem se destacado por ser não intrusiva, não invasiva e funcionar mesmo em fluidos opacos. Neste trabalho foi investigado a técnica de ultrassom Doppler para medição de perfis de velocidade, utilizando equipamentos ultrassônicos para ensaios-não-destrutivos (END). Tais equipamentos são mais acessíveis do que equipamentos convencionais de medição de velocidade por ultrassom. Também foi proposto o uso da técnica de autocorrelação estendida (EAM), para medição de velocidades além do limite de Nyquist. Essa restrição existe na grande maioria dos medidores, que utilizam a técnica convencional de autocorrelação (ACM). O EAM combina o ACM com o método da correlação cruzada (CCM), outro estimador amplamente conhecido, mas que não é muito utilizado devido a seu alto custo computacional. Desta forma, o EAM consegue medir velocidades maiores com um custo computacional intermediário, que não é tão baixo quanto o ACM e nem tão alto quanto o CCM. Para adquirir e processar os dados obtidos, foi desenvolvido um sistema para aquisição e processamento dos sinais baseado na linguagem LabView. O pulsador ultrassônico END e os estimadores de velocidade por EAM, CCM e ACM foram validados medindo o perfil de velocidade em um cilindro girante, capaz de fornecer velocidades controladas de fácil solução analítica. Os resultados mostram erros médios quadráticos abaixo de 2%, validando o equipamento e a técnica. O EAM também mediu velocidades acima no limite de Nyquist com um desempenho computacional de 9 vezes maior do que o CCM. Na segunda parte deste trabalho, a técnica ultrassônica de medição de velocidade foi aplicada para medição de escoamentos multifásicos em tubulações, tema de grande interesse da indústria de petróleo e gás. Um escoamento vertical líquido-gás-sólido foi analisado com o mesmo equipamento END. Primeiramente, o perfil de velocidade do escoamento liquido-sólido em regime laminar, foi medido e validado utilizando um equipamento Coriolis como referência. Em seguida, foram realizados testes adicionando gás ao escoamento. As velocidades superficiais de líquido e gás foram variadas para gerar os padrões de escoamento tipo bolhas dispersas, intermitente e intermitente aerado. Os resultados foram comparados a imagens de uma filmadora de alta velocidade. Foram obtidos parâmetros como perfil de velocidade das bolhas dispersas, velocidade do filme de líquido e velocidade da mistura dependendo do padrão de escoamento analisado. Assim, a medição de velocidade por ultrassom Doppler, utilizando um equipamento de END, foi aplicado com sucesso em dois problemas de fluidodinâmica. / Interest in knowing the instantaneous velocity profile in fluid dynamics has grown in recent years as new flow visualization techniques are improving. In this context, the ultrasonic Doppler velocity profiler (UVP) has desirable characteristics, as it is non-invasive, works with opaque liquids, and it is portable and easy to install if compared with other velocity profiler methods. In this work, the use of nondestructive ultrasonic devices in the UVP field is investigated. NDT systems are widely available and have lower cost if compared to traditional ultrasonic velocity profiler systems. The use of an extended autocorrelation method (EAM) for ultrasonic velocity estimation beyond Nyquist limit are also evaluated. The Nyquist limit causes a restriction on the maximum measurable velocity of the traditional autocorrelation method (ACM), present in most of ultrasonic velocity profiler systems. EAM combines the ACM technique with cross-correlation method (CCM) which is a well-established velocity estimator that does not suffer with Nyquist limit. However, the technique has a high computational cost that limits real time applications. EAM has the advantage of measure velocities beyond the Nyquist limit but with a lower computational cost than CCM. To evaluate the NDT device and the velocity estimation techniques ACM, CCM and EAM, a data acquisition system and a signal-processing unit based on LabView language were developed. The velocity profile of a rotating cylinder was used to validate all measurements. The techniques ACM, CCM and EAM successfully measured velocities within Nyquist limit with less than 2% deviation, validating the NDT system. EAM also measured velocities beyond Nyquist limit with a computational performance 9 times faster than CCM. The ultrasonic technique was also applied to measure the velocity profile of a multiphase flow in a pipeline, which are of great interest in oil and gas industry. Tests within a multiphase flow composed by different combinations of oil/sand/nylon-particles and gas were conducted in a vertical rig. A high-speed camera was used to validate the measurements. First the ultrasonic velocity profile measured was validated in a liquid-solid flow by using a Coriolis flowmeter as a reference. Next, superficial liquid and gas velocity were controlled to obtain different flow patterns such as bubbly flow and slug flow. The technique measured the bubbles velocity, the mixture velocity and the liquid film velocity depending on the flow pattern. Finally, the ultrasonic NDT system was successfully applied to investigate two different fluid engineering problems.

ANP; FINEP; CAPES; PETROBRAS; MCTI; / Apresentam-se neste trabalho abordagens de solução para a etapa de planejamento do transporte otimizado em uma rede dutoviária real de derivados claros de petróleo. O modelo proposto é o bloco de entrada de uma estrutura de otimização que auxilia no scheduling do transporte de derivados claros de petróleo (derivados de alto valor agregado). A rede dutoviária em questão é composta por 14 áreas (4 refinarias, 2 portos, 6 terminais de distribuição e 2 clientes finais) e 30 dutos bidirecionais interligam essas áreas transportando mais de 35 derivados claros de petróleo. O problema tratado é complexo, portanto utiliza-se da estratégia de decomposição, inicialmente proposta por Boschetto et al. (2010), baseada na integração de diferentes módulos compostos por modelos de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) e heurísticas. Essa integração é capaz de resolver o problema proposto, considerando as características particulares da rede. Em síntese, dentre os blocos (módulos) presentes na estratégia, estão os de: (i) planejamento, (ii) Alocação e Sequenciamento; e (iii) Temporização. Soluções são obtidas em tempo computacional reduzido (segundos a poucos minutos) para cenários reais da rede em estudo. Este trabalho é uma evolução do modelo PLIM introduzido por Magatão et al. (2012), levando em conta novas características operacionais, e objetiva detalhar o modelo de planejamento que é responsável pela determinação dos volumes totais que serão movimentados na rede e as rotas que serão utilizadas no transporte. Adicionalmente, faz-se a separação do novo modelo proposto em fases distintas para o estudo do controle das influências e prioridades das variáveis envolvidas no escopo do modelo de planejamento e os reflexos na solução completa do scheduling. Assim, nomeiam-se as duas abordagens propostas de: abordagem em 1 fase e abordagem em 3 fases. O modelo PLIM de planejamento proposto com abordagem temporal contínua toma decisões globais a um nível tático considerando características operacionais para um horizonte de 30 dias. Objetiva-se o balanço de inventário otimizado considerando operações de reversão dos dutos, interfaces entre produtos, operação pulmão/estocagem intermediária, manutenção de tanques (tratamento multíperiodo), degradação, entre outras. As abordagens são comparadas e resultados como a redução do tempo computacional, menores violações de estoque ao final do scheduling e diminuição de operações de reversão são apresentados. / Solution approaches for the planning module of the optimized scheduling of a real-world pipeline network to transport light oil derivatives are presented in this work. The proposed model is the input block of a decomposition strategy which aids the scheduling of products (derivatives with high earned value) transportation. The referred network is composed of 14 areas (4 refinaries, 2 harbors, 2 final clients and 6 depots) and 30 bidirectional pipelines which interconnect those areas transporting more than 35 light oil derivatives. The related problem is complex, thus the proposed model is part of a decomposition strategy, formerly proposed by Boschetto et al. (2010), based on the integration of distinct modules composed of Mixed Integer Linear Programming (MILP) models and heuristics. This integration is able to solve the aforementioned problem, considering all the particular network characteristics. Briefly, among the developed modules are the: (i) Planning, (ii) Assignment and Sequencing and (iii) Timing blocks. Solutions are obtained in a reduced computational time (seconds to few minutes) for real scenarios. This work is an improvement of the MILP model introduced by Magatão et al. (2012), considering new operational characteristics, and it aims to detail the Planning Model which is responsible for determining total volumes that will be transported in the network and the routes that will be required for this transport. Additionally, a division of the new proposed model in distinct stages is made to investigate the control and influence of each variable in both planning and scheduling solution scopes. Therefore, the proposed approaches are defined here as the single-phase approach and the three-phase approach. The continuous-time MILP model gives global decisions at a tactical level taking into account operational characteristics for a 30-day programming horizon. It is intended to reach an optimized mass balance considering operations such as: pipeline reverse flow, contamination between products, surge operation/temporary stock, tank maintenance and degradations. The approaches are compared and results such as computational time reduction, lower inventory violations at the end of the scheduling and fewer pipeline reverse flow operations are presented.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A detecção de anomalias em vídeos de vigilância é um tema de pesquisa recorrente em visão computacional. Os métodos de aprendizagem profunda têm alcançado o estado da arte para o reconhecimento de padrões em imagens e o Autocodificador Convolucional (ACC) é uma das abordagens mais utilizadas por sua capacidade em capturar as estruturas 2D dos objetos. Neste trabalho, a detecção de anomalias se refere ao problema de encontrar padrões em vídeos que não pertencem a um conceito normal esperado. Com o objetivo de classificar anomalias adequadamente, foram verificadas formas de aprender representações relevantes para essa tarefa. Por esse motivo, estudos tanto da capacidade do modelo em aprender características automaticamente quanto do efeito da fusão de características extraídas manualmente foram realizados. Para problemas de detecção de anomalias do mundo real, a representação da classe normal é uma questão importante, sendo que um ou mais agrupamentos podem descrever diferentes aspectos de normalidade. Para fins de classificação, esses agrupamentos devem ser tão compactos (densos) quanto possível. Esta tese propõe o uso do ACC como uma abordagem orientada a dados aplicada ao contexto de detecção de anomalias em vídeos. Foram propostos métodos para o aprendizado de características espaço-temporais, bem como foi introduzida uma abordagem híbrida chamada Autocodificador Convolucional com Incorporação Compacta (ACC-IC), cujo objetivo é melhorar a compactação dos agrupamentos normais. Além disso, foi proposto um novo critério de parada baseado na sensibilidade e sua adequação para problemas de detecção de anomalias foi verificada. Todos os métodos propostos foram avaliados em conjuntos de dados disponíveis publicamente e comparados com abordagens estado da arte. Além do mais, foram introduzidos dois novos conjuntos de dados projetados para detecção de anomalias em vídeos de vigilância em rodovias. O ACC se mostrou promissor na detecção de anomalias em vídeos. Resultados sugerem que o ACC pode aprender características espaço-temporais automaticamente e a agregação de características extraídas manualmente parece ser valiosa para alguns conjuntos de dados. A compactação introduzida pelo ACC-IC melhorou o desempenho de classificação para a maioria dos casos e o critério de parada baseado na sensibilidade é uma nova abordagem que parece ser uma alternativa interessante. Os vídeos foram analisados qualitativamente de maneira visual, indicando que as características aprendidas com os dois métodos (ACC e ACC-IC) estão intimamente correlacionadas com os eventos anormais que ocorrem em seus quadros. De fato, ainda há muito a ser feito para uma definição mais geral e formal de normalidade, de modo que se possa ajudar pesquisadores a desenvolver métodos computacionais eficientes para a interpretação dos vídeos. / The anomaly detection in automated video surveillance is a recurrent topic in recent computer vision research. Deep Learning (DL) methods have achieved the state-of-the-art performance for pattern recognition in images and the Convolutional Autoencoder (CAE) is one of the most frequently used approach, which is capable of capturing the 2D structure of objects. In this work, anomaly detection refers to the problem of finding patterns in images and videos that do not belong to the expected normal concept. Aiming at classifying anomalies adequately, methods for learning relevant representations were verified. For this reason, both the capability of the model for learning automatically features and the effect of fusing hand-crafted features together with raw data were studied. Indeed, for real-world problems, the representation of the normal class is an important issue for detecting anomalies, in which one or more clusters can describe different aspects of normality. For classification purposes, these clusters must be as compact (dense) as possible. This thesis proposes the use of CAE as a data-driven approach in the context of anomaly detection problems. Methods for feature learning using as input both hand-crafted features and raw data were proposed, and how they affect the classification performance was investigated. This work also introduces a hybrid approach using DL and one-class support vector machine methods, named Convolutional Autoencoder with Compact Embedding (CAE-CE), for enhancing the compactness of normal clusters. Besides, a novel sensitivity-based stop criterion was proposed, and its suitability for anomaly detection problems was assessed. The proposed methods were evaluated using publicly available datasets and compared with the state-of-the-art approaches. Two novel benchmarks, designed for video anomaly detection in highways were introduced. CAE was shown to be promising as a data-driven approach for detecting anomalies in videos. Results suggest that the CAE can learn spatio-temporal features automatically, and the aggregation of hand-crafted features seems to be valuable for some datasets. Also, overall results suggest that the enhanced compactness introduced by the CAE-CE improved the classification performance for most cases, and the stop criterion based on the sensitivity is a novel approach that seems to be an interesting alternative. Videos were qualitatively analyzed at the visual level, indicating that features learned using both methods (CAE and CAE-CE) are closely correlated to the anomalous events occurring in the frames. In fact, there is much yet to be done towards a more general and formal definition of normality/abnormality, so as to support researchers to devise efficient computational methods to mimetize the semantic interpretation of visual scenes by humans.

Nesta tese estudamos redes cooperativas em modo de operação Full-Duplex (FD). Para tanto, usamos conceitos de teoria da informação e da comunicação, além de estatística aplicada. Assim, fornecemos uma extensa análise de desempenho de sistemas cooperativos em modo FD. Além disso, demonstramos que a operação de relays em modo FD é possível, mesmo sofrendo intensos níveis de auto-interferência. Mostramos também sua aplicação em diversos cenários. Ademais, os resultados obtidos através deste trabalho servem como referência para o design e desenvolvimento de futuras tecnologias de comunicação sem-fio. Primeiramente, contribuímos com uma extensa revisão do estado da arte em comunicações em modo FD, especificamente relays FD, e além disto revisitamos as principais propriedades de esquemas de comunicação cooperativa. Analisamos de maneira extensiva o desempenho de esquemas com relays FD em ambientes com desvanecimento do tipo Rayleigh em termos probabilidade de falha de comunicação, vazão e eficiência energética. Além de todo arcabouço matemático introduzido nesta tese, também identificamos os casos em que sistemas cooperativos em mode Half-Duplex (HD) podem ser vantajosos comparados aos esquemas FD com auto-interferência. Assim, discutimos as relações de custo-benefício entre esquemas HD e FD e entre vazão e eficiência energética. A seguir, elaboramos o modelo estudado e estendemos os resultados iniciais para incorporar os casos com modelos mais gerais de desvanecimento, conhecidos como Nakagami-m. Estes resultados auxiliam na compreensão dos efeitos da auto-interferência residual e linha de visada em sistemas com relays FD. Por fim, contribuímos também com uma análise de desempenho de sistemas cooperativos seguros. Para tanto, usamos ferramentas da teoria da informação para aumentar a privacidade e confidencialidade da comunicação em canais sem-fio. Sendo assim, fornecemos um extenso arcabouço matemático para canais com desvanecimento composto. Além disto, demonstramos que, mesmo sofrendo forte auto-interferência, comunicação segura com relays FD pode também ser obtida, uma vez que segurança perfeita pode ser obtida. / In this thesis we study Full-Duplex (FD) cooperative networks from different perspectives, using concepts of information theory, communication theory and applied statistics. We provide a comprehensive performance analysis of cooperative communications systems operating with FD relays. We demonstrate that FD relaying is feasible even when experiencing strong self-interference, and we show its application under different scenarios. More importantly, the results attained through this work serve as a benchmark for design as well as deployment of current and future wireless communications technologies. Our first contribution is a comprehensive overview of the state-of-the-art on FD communications, more specifically on FD relaying, and we revisit some of the main properties of cooperative schemes. Another contribution comes from an extensive analysis of outage probability, throughput and energy efficiency of FD relaying over Rayleigh fading channels. Besides the mathematical framework introduced herein, we also show that in some cases cooperative Half-Duplex (HD) schemes achieve better performance than FD relaying with self-interference. Therefore, we draw a discussion on the trade-offs between HD and FD schemes as well as between throughput and energy efficiency. Then, we investigate the performance of FD relaying protocols under general fading settings, namely Nakagami-m fading. Our findings allow a better understanding of effects of the residual self-interference and line-of-sight on a FD relaying setup. Our final contribution lies on the performance analysis of secure cooperative networks relying on information theoretical metrics to provide enhanced privacy and confidentiality to wireless networks. Thus, we provide a comprehensive mathematical framework for composite fading channels. Even though experiencing strong self-interference, we demonstrate that FD relaying is feasible also under secrecy constraints, thus perfect secrecy can be achieved.

CNPq / Este trabalho apresenta um retificador trifásico isolado com correção do fator de potência utilizando um autotransformador Scott e utilizando dois retificadores monofásicos isolados com correção do fator de potência de estágio único (S2). O autotransformador Scott faz uma redução de fases permitindo que se utilizem dois retificadores de estágio único. Os conversores monofásicos utilizados são do tipo Full-Bridge Flyback. O conversor proposto pode operar como elevador ou abaixador de tensão dependendo da relação entre as tensões de entrada e saída do conversor. O controle do conversor foi feito via MCU modelo TMS320F28335. Este trabalho apresenta a análise teórica do conversor operando em modo de condução contínua (CCM), bem como os resultados experimentais baseado em um protótipode 4kw. / This work presents a three-phase isolated rectifier with power factor correction using a Scott autotransformer and two isolated single-phase single-stage (S2) rectifiers. The Scott autotransformer provides a phase reduction allowing the use of two single-phase rectifiers. The single-phase converters used are the Full-Bridge Flyback type. The proposed converter can operate as a step-down or a step-up voltage, according to the relation between input andoutput voltage. The control of the converter was made in a MCU model TMS320F28335. This paper presents the theoretical analysis of the converter for continuous conduction mode (CCM) as well as experimental results based on a 4 kW prototype.

CAPES / Em ensaios não destrutivos por ultrassom, o sinal obtido a partir de um sistema de aquisição de dados real podem estar contaminados por ruído e os ecos podem ter atrasos de tempo subamostrais. Em alguns casos, esses aspectos podem comprometer a informação obtida de um sinal por um sistema de aquisição. Para lidar com essas situações, podem ser utilizadas técnicas de estimativa de atraso temporal (Time Delay Estimation ou TDE) e também técnicas de reconstrução de sinais, para realizar aproximações e obter mais informações sobre o conjunto de dados. As técnicas de TDE podem ser utilizadas com diversas finalidades na defectoscopia, como por exemplo, para a localização precisa de defeitos em peças, no monitoramento da taxa de corrosão em peças, na medição da espessura de um determinado material e etc. Já os métodos de reconstrução de dados possuem uma vasta gama de aplicação, como nos NDT, no imageamento médico, em telecomunicações e etc. Em geral, a maioria das técnicas de estimativa de atraso temporal requerem um modelo de sinal com precisão elevada, caso contrário, a localização dessa estimativa pode ter sua qualidade reduzida. Neste trabalho, é proposto um esquema alternado que estima de forma conjunta, uma referência de eco e atrasos de tempo para vários ecos a partir de medições ruidosas. Além disso, reinterpretando as técnicas utilizadas a partir de uma perspectiva probabilística, estendem-se suas funcionalidades através de uma aplicação conjunta de um estimador de máxima verossimilhança (Maximum Likelihood Estimation ou MLE) e um estimador máximo a posteriori (MAP). Finalmente, através de simulações, resultados são apresentados para demonstrar a superioridade do método proposto em relação aos métodos convencionais. / Abstract (parágrafo único): In non-destructive testing (NDT) with ultrasound, the signal obtained from a real data acquisition system may be contaminated by noise and the echoes may have sub-sample time delays. In some cases, these aspects may compromise the information obtained from a signal by an acquisition system. To deal with these situations, Time Delay Estimation (TDE) techniques and signal reconstruction techniques can be used to perform approximations and also to obtain more information about the data set. TDE techniques can be used for a number of purposes in the defectoscopy, for example, for accurate location of defects in parts, monitoring the corrosion rate in pieces, measuring the thickness of a given material, and so on. Data reconstruction methods have a wide range of applications, such as NDT, medical imaging, telecommunications and so on. In general, most time delay estimation techniques require a high precision signal model, otherwise the location of this estimate may have reduced quality. In this work, an alternative scheme is proposed that jointly estimates an echo model and time delays for several echoes from noisy measurements. In addition, by reinterpreting the utilized techniques from a probabilistic perspective, its functionalities are extended through a joint application of a maximum likelihood estimator (MLE) and a maximum a posteriori (MAP) estimator. Finally, through simulations, results are presented to demonstrate the superiority of the proposed method over conventional methods.

Devido à alta demanda energética e a grande complexidade dos atuais Sistemas Elétricos de Potência (SEPs), altamente interligados, torna-se cada vez mais importante para o operador do sistema, conhecer o estado atual do SEP. Além disso, dispor de ferramentas que permitam prever situações que venham a comprometer o bom funcionamento do sistema. Como um bom funcionamento, enquadra-se a continuidade do suprimento e perfis adequados de tensão elétrica, mesmo após a ocorrência de perturbações, o que pode ser afetado pelo fenômeno de instabilidade de tensão (ou colapso de tensão). Por isso, o objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia de análise do colapso de tensão em tempo real considerando limites de potência ativa e reativa de geradores, a qual visa auxiliar o operador do sistema. Esta metodologia é dividida em cinco etapas. A primeira delas consiste em uma análise do caso base dos SEPs considerados, utilizando um algoritmo que permite estimar a margem de estabilidade de tensão do sistema, considerando os limites de potência ativa e reativa dos geradores. Esta primeira etapa utiliza a metodologia de fluxo de potência continuado, utilizando a carga e a tensão como parâmetros de continuação. A segunda etapa apresenta uma análise de contingências rápida considerando contingências simples de linhas de transmissão, seguindo o critério N-1. Nesta segunda etapa, foi utilizado o método de Look Ahead Modificado. A terceira etapa é uma análise apurada das contingências mais críticas, identificadas na etapa dois, a fim de verificar a presença de bifurcações induzidas por limites. Nesta terceira etapa, também se utilizou a metodologia de fluxo de potência continuado. Na quarta etapa, são aplicados todos os controle disponíveis no sistema, como inserção de banco de capacitores e ajuste do TAP dos transformadores, a fim de verificar qual seria o impacto dessas ações de controle no limite de operação segura do sistema, utilizando o método de Look Ahead Modificado. Essas quatro etapas possibilitam uma análise da estabilidade de tensão do sistema em tempo real. Por fim, é proposta uma quinta etapa de análise de contingências Offline, sendo uma análise mais precisa de todas as contingências, utilizando a metodologia de fluxo de potência continuado. Os SEPs analisados nesta dissertação foram o sistema de cinco barras Stagg, o sistema de quatorze barras padrão do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e o sistema de trinta barras padrão IEEE. / Due to the high energy demand and the high complexity of today's interconnected Electrical Power Systems (SEPs), it is becoming increasingly important for the system operator to know the current state of the SEP. In addition, have the tools to predict situations that may compromise the smooth operation of the system. As a good operation, the continuity of the supply and adequate voltage profiles are correct, even after the occurrence of disturbances, which can be affected by the phenomenon of voltage instability (or voltage collapse). Therefore, the objective of this work is to develop a methodology for the analysis of voltage collapse in real time considering the limits of active and reactive power of generators, which aims to assist the system operator. This methodology is divided into five steps. The first one consists of an analysis of the base case of the considered SEPs, using an algorithm that allows estimating the voltage stability margin of the system considering the limits of active and reactive power of the generators. This first step uses the continuous power flow methodology, using load and voltage as continuation parameters. The second stage presents a fast contingency analysis considering simple contingencies of transmission lines, following the criterion N-1. In this second step, the Modified Look Ahead method was used. The third step is an accurate analysis of the most critical contingencies, identified in step two, in order to verify the presence of limits-induced bifurcations. In this third step, we also used the continuous power flow methodology. In the fourth step, all available system controls, such as capacitor bank insertion and TAP adjustment of the transformers, are applied in order to verify the impact of these control actions on the safe operation limit of the system, using the Look Ahead Modified. These four steps enable a real-time analysis of the voltage stability of the system. Finally, a fifth stage of analysis of Offline contingencies is proposed, and a more precise analysis of all the contingencies using the methodology of continuous power flow is proposed. The SEPs analyzed in this dissertation were the Stagg five-bar system, the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standard fourteen bar system and the IEEE standard thirty-bar system.