Dependable wireless real-time communications for open environments

Wireless communication technologies have become widely adopted, appearing in heterogeneous applications ranging from tracking victims, responders and equipments in disaster scenarios to machine health monitoring in networked manufacturing systems. Very often, applications demand a strictly bounded timing response, which, in distributed systems, is generally highly dependent on the performance of the underlying communication technology. These systems are said to have real-time timeliness requirements since data communication must be conducted within predefined temporal bounds, whose unfulfillment may compromise the correct behavior of the system and cause economic losses or endanger human lives. The potential adoption of wireless technologies for an increasingly broad range of application scenarios has made the operational requirements more complex and heterogeneous than before for wired technologies. On par with this trend, there is an increasing demand for the provision of cost-effective distributed systems with improved deployment, maintenance and adaptation features. These systems tend to require operational flexibility, which can only be ensured if the underlying communication technology provides both time and event triggered data transmission services while supporting on-line, on-the-fly parameter modification. Generally, wireless enabled applications have deployment requirements that can only be addressed through the use of batteries and/or energy harvesting mechanisms for power supply. These applications usually have stringent autonomy requirements and demand a small form factor, which hinders the use of large batteries. As the communication support may represent a significant part of the energy requirements of a station, the use of power-hungry technologies is not adequate. Hence, in such applications, low-range technologies have been widely adopted. In fact, although low range technologies provide smaller data rates, they spend just a fraction of the energy of their higher-power counterparts. The timeliness requirements of data communications, in general, can be met by ensuring the availability of the medium for any station initiating a transmission. In controlled (close) environments this can be guaranteed, as there is a strict regulation of which stations are installed in the area and for which purpose. Nevertheless, in open environments, this is hard to control because no a priori abstract knowledge is available of which stations and technologies may contend for the medium at any given instant. Hence, the support of wireless real-time communications in unmanaged scenarios is a highly challenging task. Wireless low-power technologies have been the focus of a large research effort, for example, in the Wireless Sensor Network domain. Although bringing extended autonomy to battery powered stations, such technologies are known to be negatively influenced by similar technologies contending for the medium and, especially, by technologies using higher power transmissions over the same frequency bands. A frequency band that is becoming increasingly crowded with competing technologies is the 2.4 GHz Industrial, Scientific and Medical band, encompassing, for example, Bluetooth and ZigBee, two lowpower communication standards which are the base of several real-time protocols. Although these technologies employ mechanisms to improve their coexistence, they are still vulnerable to transmissions from uncoordinated stations with similar technologies or to higher power technologies such as Wi- Fi, which hinders the support of wireless dependable real-time communications in open environments. The Wireless Flexible Time-Triggered Protocol (WFTT) is a master/multi-slave protocol that builds on the flexibility and timeliness provided by the FTT paradigm and on the deterministic medium capture and maintenance provided by the bandjacking technique. This dissertation presents the WFTT protocol and argues that it allows supporting wireless real-time communication services with high dependability requirements in open environments where multiple contention-based technologies may dispute the medium access. Besides, it claims that it is feasible to provide flexible and timely wireless communications at the same time in open environments. The WFTT protocol was inspired on the FTT paradigm, from which higher layer services such as, for example, admission control has been ported. After realizing that bandjacking was an effective technique to ensure the medium access and maintenance in open environments crowded with contention-based communication technologies, it was recognized that the mechanism could be used to devise a wireless medium access protocol that could bring the features offered by the FTT paradigm to the wireless domain. The performance of the WFTT protocol is reported in this dissertation with a description of the implemented devices, the test-bed and a discussion of the obtained results.

Serviços de interesse geral e coesão territorial: o caso da saúde

De uma forma simples, esta é uma tese que associa a dimensão territorial à formulação de políticas públicas no âmbito dos Serviços de Interesse Geral, expressão atualmente utilizada no seio da Comissão Europeia em substituição do termo Serviços Públicos. O ponto de partida é o de que, particularmente nas últimas duas décadas, estes serviços tiveram de se adaptar a um mundo em mudança, quer ao nível das tendências políticas, quer do ponto de vista dos constrangimentos financeiros. A decisão sobre a afetação e distribuição de recursos tem, por isso, obtido uma atenção crescente no domínio das políticas públicas. Contudo, as decisões sobre a natureza, a abrangência e a distribuição dos recursos a prestar são complexas, envolvendo, não só critérios técnicos, mas também julgamentos de valor e a criação de consensos políticos. Esta questão é ainda mais premente numa conjuntura, por um lado, de contenção de gastos, no qual a procura de eficiência ganha maior preponderância, e, por outro, de incremento das próprias expectativas dos cidadãos, em que a ideia de equidade é valorada. Atendendo a este contexto, é natural que em diversos processos de tomada de decisão haja alguma tensão entre estes dois princípios, questionando-se sobre quanto é que se deve sacrificar da equidade a favor da eficiência e vice-versa. A presente investigação filia nestas inquietações. O argumento subjacente é o de que o princípio de Coesão Territorial, enquanto novo paradigma de desenvolvimento do território europeu e um dos mais recentes objetivos políticos da Comissão e dos estados-membros, contribui para ajudar a ponderar a relação equidade/eficiência em processos de decisão política sobre provisão de Serviços de Interesse Geral. A linha condutora de investigação centra-se na saúde (em geral) e nos cuidados de saúde (em particular) como exemplo de um serviço que, dada a sua importância na sociedade, justifica uma atenção especial das políticas públicas, mas que tem sido alvo de debate político e académico e de reorganização da sua estrutura na tentativa de diminuição dos custos associados, com repercussões do ponto de vista territorial. A esta questão acresce o facto de que pouco se conhece sobre quais os princípios e os critérios que estão na base de decisões políticas no campo da saúde e qual o papel que o território aqui ocupa. Para compreender se e como a dimensão territorial é considerada na formulação de políticas de saúde, bem como de que forma a adoção do princípio de coesão territorial na formulação de políticas públicas introduz um outro tipo de racionalidade aos processos de tomada de decisão, optou-se por uma metodologia de abordagem essencialmente qualitativa, baseada i) na realização de entrevistas semiestruturadas conduzidas presencialmente a atores-chave da esfera da decisão pública, ii) na análise dos principais instrumentos programáticos das políticas de saúde e iii) na análise de dois estudos de caso (sub-regiões do Baixo Vouga e da Beira Interior Sul). Os resultados alcançados permitem, por um lado, compreender, discutir e clarificar os processos de tomada de decisão em saúde, por outro, justificar o propósito da adoção do princípio de Coesão Territorial na formulação de políticas e, por fim, avançar com linhas de investigação futura sobre Serviços de Interesse Geral e Coesão Territorial.

Reliable and energy efficient routing for ad hoc networks

In Mobile Ad hoc NETworks (MANETs), where cooperative behaviour is mandatory, there is a high probability for some nodes to become overloaded with packet forwarding operations in order to support neighbor data exchange. This altruistic behaviour leads to an unbalanced load in the network in terms of traffic and energy consumption. In such scenarios, mobile nodes can benefit from the use of energy efficient and traffic fitting routing protocol that better suits the limited battery capacity and throughput limitation of the network. This PhD work focuses on proposing energy efficient and load balanced routing protocols for ad hoc networks. Where most of the existing routing protocols simply consider the path length metric when choosing the best route between a source and a destination node, in our proposed mechanism, nodes are able to find several routes for each pair of source and destination nodes and select the best route according to energy and traffic parameters, effectively extending the lifespan of the network. Our results show that by applying this novel mechanism, current flat ad hoc routing protocols can achieve higher energy efficiency and load balancing. Also, due to the broadcast nature of the wireless channels in ad hoc networks, other technique such as Network Coding (NC) looks promising for energy efficiency. NC can reduce the number of transmissions, number of re-transmissions, and increase the data transfer rate that directly translates to energy efficiency. However, due to the need to access foreign nodes for coding and forwarding packets, NC needs a mitigation technique against unauthorized accesses and packet corruption. Therefore, we proposed different mechanisms for handling these security attacks by, in particular by serially concatenating codes to support reliability in ad hoc network. As a solution to this problem, we explored a new security framework that proposes an additional degree of protection against eavesdropping attackers based on using concatenated encoding. Therefore, malicious intermediate nodes will find it computationally intractable to decode the transitive packets. We also adopted another code that uses Luby Transform (LT) as a pre-coding code for NC. Primarily being designed for security applications, this code enables the sink nodes to recover corrupted packets even in the presence of byzantine attacks.

Understanding and modelling hydrological and soil erosion processes in burnt forest catchments

Forest fires implications in overland flow and soil erosion have been researched for several years. Therefore, is widely known that fires enhance hydrological and geomorphological activity worldwide as also in Mediterranean areas. Soil burn severity has been widely used to describe the impacts of fire on soils, and has being recognized as a decisive factor controlling post-fire erosion rates. However, there is no unique definition of the term and the relationship between soil burn severity and post-fire hydrological and erosion response has not yet been fully established. Few studies have assessed post-fire erosion over multiple years, and the authors are aware of none which assess runoff. Small amount of studies concerning pre-fire management practices were also found. In the case of soil erosion models, the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) and the revised Morgan–Morgan–Finney (MMF) are well-known models, but not much information is available as regards their suitability in predicting post-fire soil erosion in forest soils. The lack of information is even more pronounced as regards post-fire rehabilitation treatments. The aim of the thesis was to perform an extensive research under the post fire hydrologic and erosive response subject. By understanding the effect of burn severity in ecosystems and its implications regarding post fire hydrological and erosive responses worldwide. Test the effect of different pre-fire land management practices (unplowed, downslope plowed and contour plowed) and time-since-fire, in the post fire hydrological and erosive response, between the two most common land uses in Portugal (pine and eucalypt). Assess the performance of two widely-known erosion models (RUSLE and Revised MMF), to predict soil erosion rates during first year following two wildfires of distinctive burn severity. Furthermore, to apply these two models considering different post-fire rehabilitation treatments in an area severely affected by fire. Improve model estimations of post-fire runoff and erosion rates in two different land uses (pine and eucalypt) using the revised MMF. To assess these improvements by comparing estimations and measurements of runoff and erosion, in two recently burned sites, as also with their post fire rehabilitation treatments. Model modifications involved: (1) focusing on intra-annual changes in parameters to incorporate seasonal differences in runoff and erosion; and (2) inclusion of soil water repellency in runoff predictions. Additionally, validate these improvements with the application of the model to other pine and eucalypt sites in Central Portugal. The review and meta-analysis showed that fire occurrence had a significant effect on the hydrological and erosive response. However, this effect was only significantly higher with increasing soil burn severity for inter-rill erosion, and not for runoff. This study furthermore highlighted the incoherencies between existing burn severity classifications, and proposed an unambiguous classification. In the case of the erosion plots with natural rainfall, land use factor affected annual runoff while land management affected both annual runoff and erosion amounts significantly. Time-since-fire had an important effect in erosion amounts among unplowed sites, while for eucalypt sites time affected both annual runoff and erosion amounts. At all studied sites runoff coefficients increase over the four years of monitoring. In the other hand, sediment concentration in the runoff, recorded a decrease during the same period. Reasons for divergence from the classic post-fire recovery model were also explored. Short fire recurrence intervals and forest management practices are viewed as the main reasons for the observed severe and continuing soil degradation. The revised MMF model presented reasonable accuracy in the predictions while the RUSLE clearly overestimated the observed erosion rates. After improvements: the revised model was able to predict first-year post-fire plot-scale runoff and erosion rates for both forest types, these predictions were improved both by the seasonal changes in the model parameters; and by considering the effect of soil water repellency on the runoff, individual seasonal predictions were considered accurate, and the inclusion of the soil water repellency in the model also improved the model at this base. The revised MMF model proved capable of providing a simple set of criteria for management decisions about runoff and erosion mitigation measures in burned areas. The erosion predictions at the validation sites attested both to the robustness of the model and of the calibration parameters, suggesting a potential wider application.

Políticas, conceções e práticas dominantes do ensino superior em Moçambique

O presente trabalho começa por analisar a evolução dos sistemas ao longo de vários períodos históricos, bem como os conceitos e tipologias que os sustentam, no quadro da problemática e da conceptualização teórica do ensino superior. A origem da universidade na idade média, na Europa e em outras partes do mundo, fundamenta-se, principalmente, na procura do saber e nas condicionantes socioeconómicas da época. A evolução da universidade sustentada pela narrativa da modernidade, resultou em modelos diferenciados de ensino superior, que mantinham, no entanto, a razão e a epistemologia do conhecimento académico, como fatores unificadores. O modelo utilizado para traduzir a referida evolução, é proposto por Scott (1995) e configura a relação que se estabelece entre a universidade e outras formas de ensino superior. Na sequência do desenvolvimento dos sistemas, suscitados pelas relações entre os diversos atores envolvidos no ensino superior, procurou-se evidenciar a relação entre o Estado o mercado e os académicos, bem como outros atores sociopolíticos, institucionais e da sociedade civil. O quadro de análise dos mecanismos de coordenação destas envolventes, baseou-se no “Triângulo de Clark”, complementado com o modelo da “Metáfora da Flutuação”. Desde o início da década de 80 do século XX, que a missão, o modo de organização e o funcionamento das IES têm vindo a ser questionadas, como resultado das mudanças económicas de cariz neoliberal. Este cenário, propiciador de crises e de transformações, não tem impedido, porém, de manter o papel fundamental da universidade como produtora e difusora do conhecimento. No contexto da globalização e da cada vez maior influência do mercado no ensino superior, procura-se impor um modelo hegemonizado de racionalidade económica, competitividade e eficiência - o managerialismo. Não obstante alguns êxitos, esta ideologia não tem sido completamente bem-sucedida. Aliás, à tentativa da globalização de gerar uma ordem uniformista, têm sido contrapostos modelos de recontextualização que procuram refletir as realidades locais. Embora num reduzido número de países, África, registou formas de ensino superior endógenas, no período pré-colonial. Depois do espectro colonial que mantém, ainda hoje, a sua influência, os sistemas debatem-se na atualidade com diferentes dilemas, originados pelas correntes da globalização. Porém, o ensino superior em África assume um papel central no contexto do desenvolvimento dos diferentes países contribuindo, igualmente, para a construção da Nação e da sua identidade. Esta dimensão, não é impeditiva do seu envolvimento, nos desafios da sociedade e da economia do conhecimento, buscando, ao mesmo tempo, modelos e práticas equilibradoras, que proporcionem uma resposta satisfatória às necessidades sociais e económicas, nacionais e regionais. Ao enquadrar o sistema de ensino superior em Moçambique merecem destaque as etapas do processo histórico, nomeadamente o surgimento dos estudos gerais universitários como primeira forma de ensino superior mais tarde transformada em universidade, a mudança de paradigma após a independência nacional, a abertura ao setor privado e, ainda, a expansão do sistema. A discussão sobre políticas e estratégias é sustentada pela análise dos respetivos planos estratégicos bem como, pela compreensão das leis fundamentais e respetivos documentos reguladores. Este conjunto de instrumentos concorre para a reforma do sistema, que se procura implementar em Moçambique. Nesta sequência, é de salientar o debate público realizado em torno das qualificações e graus oficialmente estabelecidos, que parece constituir uma problemática ainda não completamente resolvida. Numa outra parte do trabalho, procede-se à apresentação e análise dos resultados de uma investigação sobre o ensino superior em Moçambique. Seguindo uma metodologia de análise qualitativa, foi possível estruturar a informação obtida, em diferentes dimensões e categorias. A informação foi recolhida e tratada, a partir de entrevistas efetuadas a diferentes grupos de atores, direta ou indiretamente relacionados com o ensino superior em Moçambique. Os resultados da análise conduziram à sistematização de um conjunto de linhas de força e ao traçar de conclusões, contributivas para a melhoria do quadro de referência sobre políticas, conceções e práticas do ensino superior em Moçambique.