Analysis, modeling, design and optimization of future communications systems: from theory to practice

Esta tese descreve uma framework de trabalho assente no paradigma multi-camada para analisar, modelar, projectar e optimizar sistemas de comunicação. Nela se explora uma nova perspectiva acerca da camada física que nasce das relações entre a teoria de informação, estimação, métodos probabilísticos, teoria da comunicação e codificação. Esta framework conduz a métodos de projecto para a próxima geração de sistemas de comunicação de alto débito. Além disso, a tese explora várias técnicas de camada de acesso com base na relação entre atraso e débito para o projeto de redes sem fio tolerantes a atrasos. Alguns resultados fundamentais sobre a interação entre a teoria da informação e teoria da estimação conduzem a propostas de um paradigma alternativo para a análise, projecto e optimização de sistemas de comunicação. Com base em estudos sobre a relação entre a informação recíproca e MMSE, a abordagem descrita na tese permite ultrapassar, de forma inovadora, as dificuldades inerentes à optimização das taxas de transmissão de informação confiáveis em sistemas de comunicação, e permite a exploração da atribuição óptima de potência e estruturas óptimas de pre-codificação para diferentes modelos de canal: com fios, sem fios e ópticos. A tese aborda também o problema do atraso, numa tentativa de responder a questões levantadas pela enorme procura de débitos elevados em sistemas de comunicação. Isso é feito através da proposta de novos modelos para sistemas com codificação de rede (network coding) em camadas acima da sua camada física. Em particular, aborda-se a utilização de sistemas de codificação em rede para canais que variam no tempo e são sensíveis a atrasos. Isso foi demonstrado através da proposta de um novo modelo e esquema adaptativo, cujos algoritmos foram aplicados a sistemas sem fios com desvanecimento (fading) complexo, de que são exemplos os sistemas de comunicação via satélite. A tese aborda ainda o uso de sistemas de codificação de rede em cenários de transferência (handover) exigentes. Isso é feito através da proposta de novos modelos de transmissão WiFi IEEE 801.11 MAC, que são comparados com codificação de rede, e que se demonstram possibilitar transferência sem descontinuidades. Pode assim dizer-se que esta tese, através de trabalho de análise e de propostas suportadas por simulações, defende que na concepção de sistemas de comunicação se devem considerar estratégias de transmissão e codificação que sejam não só próximas da capacidade dos canais, mas também tolerantes a atrasos, e que tais estratégias têm de ser concebidas tendo em vista características do canal e a camada física.

Algoritmos inteligentes de baixa complexidade

A domótica é uma área com grande interesse e margem de exploração, que pretende alcançar a gestão automática e autónoma de recursos habitacionais, proporcionando um maior conforto aos utilizadores. Para além disso, cada vez mais se procuram incluir benefícios económicos e ambientais neste conceito, por forma a garantir um futuro sustentável. O aquecimento de água (por meios elétricos) é um dos fatores que mais contribui para o consumo de energia total de uma residência. Neste enquadramento surge o tema “algoritmos inteligentes de baixa complexidade”, com origem numa parceria entre o Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) da Universidade de Aveiro e a Bosch Termotecnologia SA, que visa o desenvolvimento de algoritmos ditos “inteligentes”, isto é, com alguma capacidade de aprendizagem e funcionamento autónomo. Os algoritmos devem ser adaptados a unidades de processamento de 8 bits para equipar pequenos aparelhos domésticos, mais propriamente tanques de aquecimento elétrico de água. Uma porção do desafio está, por isso, relacionada com as restrições computacionais de microcontroladores de 8 bits. No caso específico deste trabalho, foi determinada a existência de sensores de temperatura da água no tanque como a única fonte de informação externa aos algoritmos, juntamente com parâmetros pré-definidos pelo utilizador que estabelecem os limiares de temperatura máxima e mínima da água. Partindo deste princípio, os algoritmos desenvolvidos baseiam-se no perfil de consumo de água quente, observado ao longo de cada semana, para tentar prever futuras tiragens de água e, consequentemente, agir de forma adequada, adiantando ou adiando o aquecimento da água do tanque. O objetivo é alcançar uma gestão vantajosa entre a economia de energia e o conforto do utilizador (água quente), isto sem que exista necessidade de intervenção direta por parte do utilizador final. A solução prevista inclui também o desenvolvimento de um simulador que permite observar, avaliar e comparar o desempenho dos algoritmos desenvolvidos.

Novel hardware and software combination for automotive motorsport vehicles based on direct processing of graphical functions

The main motivation for the work presented here began with previously conducted experiments with a programming concept at the time named "Macro". These experiments led to the conviction that it would be possible to build a system of engine control from scratch, which could eliminate many of the current problems of engine management systems in a direct and intrinsic way. It was also hoped that it would minimize the full range of software and hardware needed to make a final and fully functional system. Initially, this paper proposes to make a comprehensive survey of the state of the art in the specific area of software and corresponding hardware of automotive tools and automotive ECUs. Problems arising from such software will be identified, and it will be clear that practically all of these problems stem directly or indirectly from the fact that we continue to make comprehensive use of extremely long and complex "tool chains". Similarly, in the hardware, it will be argued that the problems stem from the extreme complexity and inter-dependency inside processor architectures. The conclusions are presented through an extensive list of "pitfalls" which will be thoroughly enumerated, identified and characterized. Solutions will also be proposed for the various current issues and for the implementation of these same solutions. All this final work will be part of a "proof-of-concept" system called "ECU2010". The central element of this system is the before mentioned "Macro" concept, which is an graphical block representing one of many operations required in a automotive system having arithmetic, logic, filtering, integration, multiplexing functions among others. The end result of the proposed work is a single tool, fully integrated, enabling the development and management of the entire system in one simple visual interface. Part of the presented result relies on a hardware platform fully adapted to the software, as well as enabling high flexibility and scalability in addition to using exactly the same technology for ECU, data logger and peripherals alike. Current systems rely on a mostly evolutionary path, only allowing online calibration of parameters, but never the online alteration of their own automotive functionality algorithms. By contrast, the system developed and described in this thesis had the advantage of following a "clean-slate" approach, whereby everything could be rethought globally. In the end, out of all the system characteristics, "LIVE-Prototyping" is the most relevant feature, allowing the adjustment of automotive algorithms (eg. Injection, ignition, lambda control, etc.) 100% online, keeping the engine constantly working, without ever having to stop or reboot to make such changes. This consequently eliminates any "turnaround delay" typically present in current automotive systems, thereby enhancing the efficiency and handling of such systems.

Gestão de desempenho numa rede celular

A realização desta dissertação tem como principal objetivo a análise de indicadores chave de desempenho numa rede celular de terceira geração - Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), bem como a aplicação de técnicas matemáticas de previsão como apoio ao respetivo planeamento e otimização. Para o efeito, foi inicialmente efetuado um estudo sobre a evolução das comunicações de uma forma generalista, até às redes de nova geração, abordando individualmente, as de voz, as de dados e as comunicações móveis, assim como, uma breve descrição das organizações envolvidas nestas mudanças. No seguimento do estudo inicial, dando enfoque à tecnologia UMTS, foram expostas as suas características, a sua estrutura e arquitetura. Foram ainda elaboradas, duas comparações, com base em diferentes parâmetros, uma com a tecnologia da geração anterior e outra, com a de última geração. Com base nos conhecimentos adquiridos em diferentes pesquisas, foram estudados, os indicadores chave de desempenho (KPIs), as técnicas de planeamento e otimização, apresentando propostas de prevenção e soluções para problemas existentes na rede.

Capacity forecasting for radio access networks

The mobile networks market (focus of this work) strategy is based on the consolidation of the installed structure and the optimization of the already existent resources. The increasingly competition and aggression of this market requires, to the mobile operators, a continuous maintenance and update of the networks in order to obtain the minimum number of fails and provide the best experience for its subscribers. In this context, this dissertation presents a study aiming to assist the mobile operators improving future network modifications. In overview, this dissertation compares several forecasting methods (mostly based on time series analysis) capable of support mobile operators with their network planning. Moreover, it presents several network indicators about the more common bottlenecks.

Error correcting codes for visible light communication systems

Over the past few years, the number of wireless networks users has been increasing. Until now, Radio-Frequency (RF) used to be the dominant technology. However, the electromagnetic spectrum in these region is being saturated, demanding for alternative wireless technologies. Recently, with the growing market of LED lighting, the Visible Light Communications has been drawing attentions from the research community. First, it is an eficient device for illumination. Second, because of its easy modulation and high bandwidth. Finally, it can combine illumination and communication in the same device, in other words, it allows to implement highly eficient wireless communication systems. One of the most important aspects in a communication system is its reliability when working in noisy channels. In these scenarios, the received data can be afected by errors. In order to proper system working, it is usually employed a Channel Encoder in the system. Its function is to code the data to be transmitted in order to increase system performance. It commonly uses ECC, which appends redundant information to the original data. At the receiver side, the redundant information is used to recover the erroneous data. This dissertation presents the implementation steps of a Channel Encoder for VLC. It was consider several techniques such as Reed-Solomon and Convolutional codes, Block and Convolutional Interleaving, CRC and Puncturing. A detailed analysis of each technique characteristics was made in order to choose the most appropriate ones. Simulink models were created in order to simulate how diferent codes behave in diferent scenarios. Later, the models were implemented in a FPGA and simulations were performed. Hardware co-simulations were also implemented to faster simulation results. At the end, diferent techniques were combined to create a complete Channel Encoder capable of detect and correct random and burst errors, due to the usage of a RS(255,213) code with a Block Interleaver. Furthermore, after the decoding process, the proposed system can identify uncorrectable errors in the decoded data due to the CRC-32 algorithm.

Implementação em FPGA de um Modem QPSK

Esta dissertação insere-se num conjunto de trabalhos a decorrer no Instituto de Telecomunicações de Aveiro que tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de comunicação para um UAV. Neste sentido, apresenta a implementação e validação de um modem em banda base aberto e flexível implementado em FPGA, baseado em abordagem SDR, com possibilidade de integraçãoo no sistema de comunicação com o UAV. Ao longo desta dissertação implementou-se, utilizando o MATLAB, um modem de modulação adaptável, ao qual foram integrados algoritmos de sincronismo e de correção de fase. Desta forma, foi possível realizar uma análise ao modelo comportamental dos vários constituintes do modem abstraindose dos tempos de atraso do processamento ou da precisão da representação dos dados, e assim simplificar a sua implementação em hardware. Analisado o modelo comportamental do modem desenvolvido em MATLAB realizou-se a sua implementação em hardware para a modulação QPSK. A sua prototipagem foi realizada, com recurso à ferramenta computacional Vivado Design Suite 2014.2, utilizando o kit de desenvolvimento ZedBoard e o frontend AD-FMCOMMS1-EBZ. O correto funcionamento dos módulos implementados em hardware foi posteriormente avaliado através de uma interface entre o MATLAB e a Zed- Board, sendo que, os resultados obtidos no modelo em MATLAB serviram como termo de comparação. Através da utilização desta interface é possível validar parte do modem implementado em FPGA, mantendo o restante processamento a ser realizado em MATLAB, validando assim os módulos em FPGA de uma forma isolada.

Localização em espaços interiores por luz visível para robôs móveis

Esta dissertação investiga a localização em espaços interiores através da comunicação por luz visível para robôs móveis, com base nos LEDs fixos nos edifícios, dando particular atenção à simulação e desenho do sensor, com vista ao desenvolvimento de um sensor de localização. Explica-se o crescimento da tecnologia LED e da constante necessidade de localização do homem em espaços interiores. Apresentado algumas características do LED e dos foto-detetores existentes. Com uma breve referencia a algumas das comunicações por luz visível de baixo débito possíveis de implementar. O desenvolvimento do protótipo do sensor inicia-se, principalmente, pela simulação de alguns dispositivos essenciais e das suas caraterísticas, como o emissor LED no controlo do ^angulo de meia potência (HPA) e a altura a que se encontra, e no recetor foto-díodo e a sua restrição de campo de visão (FOV). Simula-se o sensor pretendido com o número de foto-díodos necessários otimizando o espaço físico disponível e fazendo não só um refinamento no FOV mas também na distribuição espacial dos foto-díodos com funções predefinidas para a redução de incertezas de decisão de localização do robô. Estes resultados permitiram a construção física do sensor, desde o suporte para os foto-díodos, tendo em conta todas as medidas durante as simulações, e terminando com o desenvolvimento dos sensores e a sua integração completa. O tratamento de dados da leitura dos sinais recebidos do sensor são tratados por um microcontrolador, permitindo calcular parâmetros fundamentais no cálculo da posição. No final, os resultados teóricos bem como os práticos obtidos ao longo do desenvolvimento e possíveis propostas para trabalhos futuros que beneficiam desta investigação

Iluminação em ambientes fabris: otimização e análise técnica-e-económica

Esta Dissertação aborda a temática da eficiência energética em sistemas de iluminação fabris. Desde os primórdios da história da humanidade que a iluminação tem representado um papel importante. Não só garante condições de segurança, como começou por ser o intuito primordial das fogueiras pré-históricas, traduzindo-se num elemento de conforto. Atualmente seria impensável conceber as mais diversas atividades económicas e produtivas de um país sem iluminação. Nesse sentido a iluminação representa também um elemento fomentador de produtividade. Não é bem conhecido o impacto que a iluminação tem nos custos operacionais de uma unidade fabril. Principalmente por ser difícil de quantificar separadamente na fatura de eletricidade qual a percentagem correspondente à iluminação. Tipicamente estes custos podem ascender a 20% do orçamento global da autarquia em países desenvolvidos. Por esse motivo, o sector da iluminação tem investido esforço no sentido de promover melhores soluções de iluminação capazes de por um lado de satisfazer os requisitos do espaço a iluminar, e por outro propiciar soluções eficientes do ponto de vista energético. Estas soluções assentam essencialmente no uso de dispositivos mais eficientes (como por exemplo os LED´s ou as lâmpadas compactas fluorescentes) bem como em estratégias de controlo eficientes baseadas em dados sensoriais (como por exemplo deteção de movimento/presença). A combinação destas estratégias permite reduzir os consumos em cerca de 80% quando comparadas com soluções passivas. A empresa Amorim Cork Research Lda. é uma empresa prestadora de serviços ao universo das empresas da Corticeira Amorim, uma das maiores multinacionais de origem portuguesa. Teve origem no negócio da cortiça, em 1870, sendo hoje líder destacada no sector a nível mundial. Dada a dimensão da empresa e a sua subdivisão em várias Unidades Industriais com requisitos individuais, será expectável que a iluminação represente uma parte significativa da fatura de eletricidade. Atualmente, os vários setores encontram-se equipados com soluções de iluminação diferentes, na sua maioria empregando tecnologias passivas, noutros casos com dispositivos eficientes. Há algum interesse em migrar para soluções mais eficientes, em parte suportadas em DALI (com interface de comunicação PLC ou Zigbee).

Dynamic set pieces for CAMBADA team

Robotics is an emergent branch of engineering that involves the conception, manufacture, and control of robots. It is a multidisciplinary field that combines electronics, design, computer science, artificial intelligence, mechanics and nanotechnology. Its evolution results in machines that are able to perform tasks with some level of complexity. Multi-agent systems is a researching topic within robotics, thus they allow the solving of higher complexity problems, through the execution of simple routines. Robotic soccer allows the study and development of robotics and multiagent systems, as the agents have to work together as a team, having in consideration most problems found in our quotidian, as for example adaptation to a highly dynamic environment as it is the one of a soccer game. CAMBADA is the robotic soccer team belonging to the group of research IRIS from IEETA, composed by teachers, researchers and students of the University of Aveiro, which annually has as main objective the participation in the RoboCup, in the Middle Size League. The purpose of this work is to improve the coordination in set pieces situations. This thesis introduces a new behavior and the adaptation of the already existing ones in the offensive situation, as well as the proposal of a new positioning method in defensive situations. The developed work was incorporated within the competition software of the robots. Which allows the presentation, in this dissertation, of the experimental results obtained, through simulation software as well as through the physical robots on the laboratory.

Goal detection using laser range finder for goalkeeper and striker from CAMBADA team

For a robot be autonomous and mobile, it requires being attached with a set of sensors that helps it to have a better perception of the surrounding world, to manage to localize itself and the surrounding objects. CAMBADA is the robotic soccer team of the IRIS research group, from IEETA, University of Aveiro, that competes in the Middle-Size League of RoboCup. In competition, in order to win, the main objective of the game it's to score more goals than the conceded, so not conceding goals, and score as much as possible it's desirable, thus, this thesis focus on adapt an agent with a better localization capacity in defensive and offensive moments. It was introduced a laser range finder to the CAMBADA robots, making them capable of detecting their own and the opponent goal, and to detect the opponents in specific game situations. With the new information and adapting the Goalie and Penalty behaviors, the CAMBADA goalkeeper is now able to detect and track its own goal and the CAMBADA striker has a better performance in a penalty situation. The developed work was incorporated within the competition software of the robots, which allows the presentation, in this thesis, of the experimental results obtained with physical robots on the laboratory field.

Utilização de sondas lambda em caldeiras de biomassa

Nos dias que correm a eficiência energética está na ordem do dia, havendo um esforço significativo para obter-se equipamentos cada vez mais eficientes. Uma parte significativa do consumo global de energia, bem como da emissão de gases nocivos e de efeito de estufa, está associado à climatização, quer doméstica quer industrial. Assim, é importante desenvolver tecnologias mais eficientes neste domínio. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um módulo de interface a uma sonda lambda para monitorização de combustão em caldeiras de biomassa. Este módulo permitirá medir a concentração de oxigénio presente na saída das caldeiras, possibilitando o ajuste dinâmico dos parâmetros de combustão por forma a maximizar o seu rendimento e minimizar a emissão de gases poluentes. O módulo desenvolvido é de baixo custo e apresenta uma interface bastante simples, facilitando a sua incorporação em equipamentos já existentes. Os resultados obtidos revelaram-se consistentes com os valores teóricos fornecidos pelo fabricante da sonda utilizada, podendo assim concluir-se que o trabalho foi realizado com sucesso.

Reserva de recursos MSRP para o switch de tempo-real HaRTES

Os mecanismos e técnicas do domínio de Tempo-Real são utilizados quando existe a necessidade de um sistema, seja este um sistema embutido ou de grandes dimensões, possuir determinadas características que assegurem a qualidade de serviço do sistema. Os Sistemas de Tempo-Real definem-se assim como sistemas que possuem restrições temporais rigorosas, que necessitam de apresentar altos níveis de fiabilidade de forma a garantir em todas as instâncias o funcionamento atempado do sistema. Devido à crescente complexidade dos sistemas embutidos, empregam-se frequentemente arquiteturas distribuídas, onde cada módulo é normalmente responsável por uma única função. Nestes casos existe a necessidade de haver um meio de comunicação entre estes, de forma a poderem comunicar entre si e cumprir a funcionalidade desejadas. Devido à sua elevada capacidade e baixo custo a tecnologia Ethernet tem vindo a ser alvo de estudo, com o objetivo de a tornar num meio de comunicação com a qualidade de serviço característica dos sistemas de tempo-real. Como resposta a esta necessidade surgiu na Universidade de Aveiro, o Switch HaRTES, o qual possui a capacidade de gerir os seus recursos dinamicamente, de modo a fornecer à rede onde é aplicado garantias de Tempo-Real. No entanto, para uma arquitetura de rede ser capaz de fornecer aos seus nós garantias de qualidade serviço, é necessário que exista uma especificação do fluxo, um correto encaminhamento de tráfego, reserva de recursos, controlo de admissão e um escalonamento de pacotes. Infelizmente, o Switch HaRTES apesar de possuir todas estas características, não suporta protocolos standards. Neste documento é apresentado então o trabalho que foi desenvolvido para a integração do protocolo SRP no Switch HaRTES.

Sistema de rádio comunicações para UAV

Os veículos aéreos não tripulados, mais conhecidos por drones, têm tomado atualmente uma posição importante na sociedade. Para além da sua importância no meio militar, têm sido cada vez mais utilizados para meios comerciais uma vez que o seu custo é relativamente baixo e podem ser utilizados para inúmeras aplicações. Devido à sua importância em missões de salvamento, reconhecimento de terreno e até mesmo de ataque, é fundamental uma boa comunicação entre a aeronave e a estação terrestre. Sendo a antena um dos principais elementos do sistema de comunicação, esta dissertação centrou-se no desenvolvimento de uma agregado de antenas a operar à frequência de 2.45GHz. Pretende-se que este agregado apresente polarização circular direita bem como um ganho e largura de banda elevados. Com o objetivo de se obter uma comunicação mais eficiente entre a aeronave e a estação terrestre, o agregado permitirá o redirecionamento do feixe principal do diagrama de radiação. Para tal, serão analisadas três abordagens distintas recorrendo a linhas de atraso e switches, permitindo que seja efetuado beamforming.

Street lighting mesh network protocol

The digital revolution of the 21st century contributed to stem the Internet of Things (IoT). Trillions of embedded devices using the Internet Protocol (IP), also called smart objects, will be an integral part of the Internet. In order to support such an extremely large address space, a new Internet Protocol, called Internet Protocol Version 6 (IPv6) is being adopted. The IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) has accelerated the integration of WSNs into the Internet. At the same time, the Constrained Application Protocol (CoAP) has made it possible to provide resource constrained devices with RESTful Web services functionalities. This work builds upon previous experience in street lighting networks, for which a proprietary protocol, devised by the Lighting Living Lab, was implemented and used for several years. The proprietary protocol runs on a broad range of lighting control boards. In order to support heterogeneous applications with more demanding communication requirements and to improve the application development process, it was decided to port the Contiki OS to the four channel LED driver (4LD) board from Globaltronic. This thesis describes the work done to adapt the Contiki OS to support the Microchip TM PIC24FJ128GA308 microprocessor and presents an IP based solution to integrate sensors and actuators in smart lighting applications. Besides detailing the system’s architecture and implementation, this thesis presents multiple results showing that the performance of CoAP based resource retrievals in constrained nodes is adequate for supporting networking services in street lighting networks.