Seguimento de plataformas móveis

Este relatório apresenta o trabalho realizado no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação do Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - área de especialização de Telecomunicações. Pretende-se desenvolver um sistema distribuído de seguimento, no exterior, de plataformas móveis equipadas com receptores de baixo custo. O sistema deve, em tempo útil, realizar a aquisição, descodificação e tratamento dos dados emiti- dos pelo Global Navigation Satellite System (GNSS), das observações efectuadas pelo receptor e da informação proveniente do European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS). O objectivo é determinar, a partir deste conjunto de informação e para cada plataforma ligada, a posição em modo absoluto, as correcções diferenciais e, finalmente, a posição em modo diferencial. Optou-se por receber as correcções diferenciais de área alargada do EGNOS através da Internet, permitindo, assim, que receptores sem capacidade de receber directamente informação do EGNOS possam também usufruir desta fonte de informação complementar. As correcções diferenciais a aplicar às observações de cada receptor são geradas através do conceito de estacão de referência virtual - Virtual Reference Station (VRS) - a partir da posição aproximada do receptor e das correcções de área alargada provenientes do EGNOS. A determinação da posição em modo diferencial das plataformas móveis é efectuada segundo o conceito de Inverted Di®erential Global Navigation Satellite System (IDGNSS) e utilizando uma arquitectura do tipo Cliente-Servidor. Por último, os resultados, que são armazenados numa base de dados, são disponibilizados ao utilizador através de uma aplicação Web. O utilizador pode, assim, efectuar o seguimento de qualquer plataforma móvel ligada ao sistema a partir de qualquer dispositivo com navegador e acesso à Internet.

Reliable real-time communication in CAN networks

Controller area network (CAN) is a fieldbus network suitable for small-scale distributed computer controlled systems (DCCS), being appropriate for sending and receiving short real-time messages at speeds up to 1 Mbit/sec. Several studies are available on how to guarantee the real-time requirements of CAN messages, providing preruntime schedulability conditions to guarantee the real-time communication requirements of DCCS traffic. Usually, it is considered that CAN guarantees atomic multicast properties by means of its extensive error detection/signaling mechanisms. However, there are some error situations where messages can be delivered in duplicate or delivered only by a subset of the receivers, leading to inconsistencies in the supported applications. In order to prevent such inconsistencies, a middleware for reliable communication in CAN is proposed, taking advantage of CAN synchronous properties to minimize the runtime overhead. Such middleware comprises a set of atomic multicast and consolidation protocols, upon which the reliable communication properties are guaranteed. The related timing analysis demonstrates that, in spite of the extra stack of protocols, the real-time properties of CAN are preserved since the predictability of message transfer is guaranteed.

Integrating inaccessibility in response time analysis of CAN networks

Controller Area Network (CAN) is a fieldbus network suitable for small-scale Distributed Computer Controlled Systems, being appropriate for transferring short real-time messages. Nevertheless, it must be understood that the continuity of service is not fully guaranteed, since it may be disturbed by temporary periods of network inaccessibility [1]. In this paper, such temporary periods of network inaccessibility are integrated in the response time analysis of CAN networks. The achieved results emphasise that, in the presence of temporary periods of network inaccessibility, a CAN network is not able to provide different integrity levels to the supported applications, since errors in low priority messages interfere with the response time of higher priority message streams.

On the development of a test-bed application for the ART-WiSe architecture

The ART-WiSe (Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor Networks) framework aims at the design of new communication architectures and mechanisms for time-sensitive Wireless Sensor Networks (WSNs). We adopted a two-tiered architecture where an overlay Wireless Local Area Network (Tier 2) serves as a backbone for a WSN (Tier 1), relying on existing standard communication protocols and commercial-off-the-shell (COTS) technologies – IEEE 802.15.4/ZigBee for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2. In this line, a test-bed application is being developed for assessing, validating and demonstrating the ART-WiSe architecture. A pursuit-evasion application was chosen since it fulfils a number of requirements, namely it is feasible and appealing and imposes some stress to the architecture in terms of timeliness. To develop the testbed based on the previously referred technologies, an implementation of the IEEE 8021.5.4/ZigBee protocols is being carried out, since there is no open source available to the community. This paper highlights some relevant aspects of the ART-WiSe architecture, provides some intuition on the protocol stack implementation and presents a general view over the envisaged test-bed application.

Plataforma de gestão e controlo de identidade digital e implementação novos modelos de governação e utilização das TIC

As estruturas orgânicas empresariais estão cada vez mais obrigadas a garantir elevados padrões de qualidade de serviços, possibilitando ao mesmo tempo a sustentabilidade das estruturas e ainda, o alinhamento dos investimentos efetuados com as estratégias de negócio. O seu desenvolvimento obriga a que na área das tecnologias de informação e comunicação exista a necessidade de repensar estratégias em vigor, procurando novos modelos, mais ágeis e mais capazes de se enquadrar nestas novas exigências. Neste âmbito, é de esperar que as plataformas de identidade digital tenham um papel determinante no desenvolvimento destes novos modelos, pois são um instrumento único para se implementarem plataformas heterogéneas, intemperáveis, com elevados níveis de segurança e de garantia de controlo no acesso à informação. O trabalho agora apresentado tem como objectivo investigar e desenvolver uma plataforma de identidade digital e uma plataforma de testes, que permitam ao Politécnico do Porto a aquisição de um infraestrutura de Tecnologias de Informação e Comunicação que se torne um instrumento fundamental para o desenvolvimento contínuo, de garantia de qualidade e de sustentabilidade de todos os serviços prestados à sua comunidade.

Support System for Rational Use of Electric Energy

This paper presents the system developed to promote the rational use of electric energy among consumers and, thus, increase the energy efficiency. The goal is to provide energy consumers with an application that displays the energy consumption/production profiles, sets up consuming ceilings, defines automatic alerts and alarms, compares anonymously consumers with identical energy usage profiles by region and predicts, in the case of non-residential installations, the expected consumption/production values. The resulting distributed system is organized in two main blocks: front-end and back-end. The front-end includes user interface applications for Android mobile devices and Web browsers. The back-end provides data storage and processing functionalities and is installed in a cloud computing platform - the Google App Engine - which provides a standard Web service interface. This option ensures interoperability, scalability and robustness to the system.

A survey of wireless technologies coexistence in WBAN: analysis and open research issues

Wireless Body Area Network (WBAN) is the most convenient, cost-effective, accurate, and non-invasive technology for e-health monitoring. The performance of WBAN may be disturbed when coexisting with other wireless networks. Accordingly, this paper provides a comprehensive study and in-depth analysis of coexistence issues and interference mitigation solutions in WBAN technologies. A thorough survey of state-of-the art research in WBAN coexistence issues is conducted. The survey classified, discussed, and compared the studies according to the parameters used to analyze the coexistence problem. Solutions suggested by the studies are then classified according to the followed techniques and concomitant shortcomings are identified. Moreover, the coexistence problem in WBAN technologies is mathematically analyzed and formulas are derived for the probability of successful channel access for different wireless technologies with the coexistence of an interfering network. Finally, extensive simulations are conducted using OPNET with several real-life scenarios to evaluate the impact of coexistence interference on different WBAN technologies. In particular, three main WBAN wireless technologies are considered: IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4, and low-power WiFi. The mathematical analysis and the simulation results are discussed and the impact of interfering network on the different wireless technologies is compared and analyzed. The results show that an interfering network (e.g., standard WiFi) has an impact on the performance of WBAN and may disrupt its operation. In addition, using low-power WiFi for WBANs is investigated and proved to be a feasible option compared to other wireless technologies.

Sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica

Esta dissertação descreve o sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica desenvolvido no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação. O domínio de aplicação enquadra-se no contexto da Directiva da União Europeia 2006/32/EC que declara ser necessário colocar à disposição dos consumidores a informação e os meios que promovam a redução do consumo e o aumento da eficiência energética individual. O objectivo é o desenvolvimento de uma solução que permita a representação gráfica do consumo/produção, a definição de tectos de consumo, a geração automática de alertas e alarmes, a comparação anónima com clientes com perfil idêntico por região e a previsão de consumo/produção no caso de clientes industriais. Trata-se de um sistema distribuído composto por front-end e back-end. O front-end é composto pelas aplicações de interface com o utilizador desenvolvidas para dispositivos móveis Android e navegadores Web. O back-end efectua o armazenamento e processamento de informação e encontra-se alojado numa plataforma de cloud computing – o Google App Engine – que disponibiliza uma interface padrão do tipo serviço Web. Esta opção assegura interoperabilidade, escalabilidade e robustez ao sistema. Descreve-se em detalhe a concepção, desenvolvimento e teste do protótipo realizado, incluindo: (i) as funcionalidades de gestão e análise de consumo e produção de energia implementadas; (ii) as estruturas de dados; (iii) a base de dados e o serviço Web; e (iv) os testes e a depuração efectuados. (iv) Por fim, apresenta-se o balanço deste projecto e efectuam-se sugestões de melhoria.

An Enhanced WLAN Security System With FPGA Implementation for Multimedia Applications

Maintaining a high level of data security with a low impact on system performance is more challenging in wireless multimedia applications. Protocols that are used for wireless local area network (WLAN) security are known to significantly degrade performance. In this paper, we propose an enhanced security system for a WLAN. Our new design aims to decrease the processing delay and increase both the speed and throughput of the system, thereby making it more efficient for multimedia applications. Our design is based on the idea of offloading computationally intensive encryption and authentication services to the end systems’ CPUs. The security operations are performed by the hosts’ central processor (which is usually a powerful processor) before delivering the data to a wireless card (which usually has a low-performance processor). By adopting this design, we show that both the delay and the jitter are significantly reduced. At the access point, we improve the performance of network processing hardware for real-time cryptographic processing by using a specialized processor implemented with field-programmable gate array technology. Furthermore, we use enhanced techniques to implement the Counter (CTR) Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol (CCMP) and the CTR protocol. Our experiments show that it requires timing in the range of 20–40 μs to perform data encryption and authentication on different end-host CPUs (e.g., Intel Core i5, i7, and AMD 6-Core) as compared with 10–50 ms when performed using the wireless card. Furthermore, when compared with the standard WiFi protected access II (WPA2), results show that our proposed security system improved the speed to up to 3.7 times.

Energy-efficient MAC protocols for WBANs: Opportunities and challenges

Wireless body area networks (WBANs) are expected to play a significant role in smart healthcare systems. One of the most important attributes of WBANs is to increase network lifetime by introducing novel and low-power techniques on the energy-constrained sensor nodes. Medium access control (MAC) protocols play a significant role in determining the energy consumption in WBANs. Existing MAC protocols are unable to accommodate communication requirements in WBANs. There is a need to develop novel, scalable and reliable MAC protocols that must be able to address all these requirements in a reliable manner. In this special issue, we attracted high quality research and review papers on the recent advances in MAC protocols for WBANs.

Controlo e monitorização de um sistema de Auto-Pull

Esta dissertação descreve o estudo do controlo e da monitorização de um sistema de autopull, bem como o estudo da implementação de um destes sistemasnuma área de negócio. Inicialmente, de modo a percecionar as melhores opções a tomar para a realização deste projeto foram estudadas duas redes de comunicação locais, redes Ethernet e redes CAN, tendo-se optado pelas redes Ethernet, sendo as razões que determinaram esta escolha explanadas no desenvolvimento do relatório. Após ter sido selecionada a rede que foi utilizada, foram estudados os requisitos do sistema e procuradas no mercado soluções que os satisfaçam. Para a comunicação em tempo real foram utilizadas Web Sockets e para a utilização destas,foi necessário um servidor de Web Sockets, tendo a escolha recaídosobre onodejs. Posteriormente, foi elaborada uma interface gráfica que permitiu a criação de um sistema inteligente que auxilia os clientes do espaço a efetuarem pedidos bem como a chamarem os funcionários, não necessitando de passar os longos tempos de espera que normalmenteestão associados a estes espaços. Posto isto, foi realizado um website que deverá apresentar o espaço, os próximos eventos a realizar e outras informações importantes. Este sistema torna-se uma mais-valia para a divulgação da tecnologia implementada e para a divulgação dos espaços que eventualmente venham a adotar um sistema análogo. De seguida foi efetuado um plano de negócios, simulando um espaço físico que eventualmente implementasse esta tecnologia. Para tal, foi estudada a envolvente externa e interna em que este negócio estaria inserido, as políticas de marketing que deveriam ser seguidas e ainda um plano financeiro que descrevesse o investimento, as vendas esperadas e todos os restantes componentes económicos do projeto. Por último foram tecidas as principais conclusões inerentes ao projeto desenvolvido e analisadas as possibilidades de melhorias futuras.

O Futuro dos Centros de Dados

Atualmente, as Tecnologias de Informação (TI) são cada vez mais vitais dentro das organizações. As TI são o motor de suporte do negócio. Para grande parte das organizações, o funcionamento e desenvolvimento das TI têm como base infraestruturas dedicadas (internas ou externas) denominadas por Centro de Dados (CD). Nestas infraestruturas estão concentrados os equipamentos de processamento e armazenamento de dados de uma organização, por isso, são e serão cada vez mais desafiadas relativamente a diversos fatores tais como a escalabilidade, disponibilidade, tolerância à falha, desempenho, recursos disponíveis ou disponibilizados, segurança, eficiência energética e inevitavelmente os custos associados. Com o aparecimento das tecnologias baseadas em computação em nuvem e virtualização, abrese todo um leque de novas formas de endereçar os desafios anteriormente descritos. Perante este novo paradigma, surgem novas oportunidades de consolidação dos CD que podem representar novos desafios para os gestores de CD. Por isso, é no mínimo irrealista para as organizações simplesmente eliminarem os CD ou transforma-los segundo os mais altos padrões de qualidade. As organizações devem otimizar os seus CD, contudo um projeto eficiente desta natureza, com capacidade para suportar as necessidades impostas pelo mercado, necessidades dos negócios e a velocidade da evolução tecnológica, exigem soluções complexas e dispendiosas tanto para a sua implementação como a sua gestão. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar os CD inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, evolução histórica, a sua topologia, arquitetura e normas existentes que regem os mesmos. Posteriormente o estudo detalha algumas das principais tendências condicionadoras do futuro dos CD. Explorando o conhecimento teórico resultante do estudo anterior, desenvolve-se uma metodologia de avaliação dos CD baseado em critérios de decisão. O estudo culmina com uma análise sobre uma nova solução tecnológica e a avaliação de três possíveis cenários de implementação: a primeira baseada na manutenção do atual CD; a segunda baseada na implementação da nova solução em outro CD em regime de hosting externo; e finalmente a terceira baseada numa implementação em regime de IaaS.

Middleware for Large-scale Distributed Systems

Nos últimos anos o aumento exponencial da utilização de dispositivos móveis e serviços disponibilizados na “Cloud” levou a que a forma como os sistemas são desenhados e implementados mudasse, numa perspectiva de tentar alcançar requisitos que até então não eram essenciais. Analisando esta evolução, com o enorme aumento dos dispositivos móveis, como os “smartphones” e “tablets” fez com que o desenho e implementação de sistemas distribuidos fossem ainda mais importantes nesta área, na tentativa de promover sistemas e aplicações que fossem mais flexíveis, robutos, escaláveis e acima de tudo interoperáveis. A menor capacidade de processamento ou armazenamento destes dispositivos tornou essencial o aparecimento e crescimento de tecnologias que prometem solucionar muitos dos problemas identificados. O aparecimento do conceito de Middleware visa solucionar estas lacunas nos sistemas distribuidos mais evoluídos, promovendo uma solução a nível de organização e desenho da arquitetura dos sistemas, ao memo tempo que fornece comunicações extremamente rápidas, seguras e de confiança. Uma arquitetura baseada em Middleware visa dotar os sistemas de um canal de comunicação que fornece uma forte interoperabilidade, escalabilidade, e segurança na troca de mensagens, entre outras vantagens. Nesta tese vários tipos e exemplos de sistemas distribuídos e são descritos e analisados, assim como uma descrição em detalhe de três protocolos (XMPP, AMQP e DDS) de comunicação, sendo dois deles (XMPP e AMQP) utilzados em projecto reais que serão descritos ao longo desta tese. O principal objetivo da escrita desta tese é demonstrar o estudo e o levantamento do estado da arte relativamente ao conceito de Middleware aplicado a sistemas distribuídos de larga escala, provando que a utilização de um Middleware pode facilitar e agilizar o desenho e desenvolvimento de um sistema distribuído e traz enormes vantagens num futuro próximo.

Towards high-available and energy-efficient virtual computing environments in the cloud

Empowered by virtualisation technology, cloud infrastructures enable the construction of flexi- ble and elastic computing environments, providing an opportunity for energy and resource cost optimisation while enhancing system availability and achieving high performance. A crucial re- quirement for effective consolidation is the ability to efficiently utilise system resources for high- availability computing and energy-efficiency optimisation to reduce operational costs and carbon footprints in the environment. Additionally, failures in highly networked computing systems can negatively impact system performance substantially, prohibiting the system from achieving its initial objectives. In this paper, we propose algorithms to dynamically construct and readjust vir- tual clusters to enable the execution of users’ jobs. Allied with an energy optimising mechanism to detect and mitigate energy inefficiencies, our decision-making algorithms leverage virtuali- sation tools to provide proactive fault-tolerance and energy-efficiency to virtual clusters. We conducted simulations by injecting random synthetic jobs and jobs using the latest version of the Google cloud tracelogs. The results indicate that our strategy improves the work per Joule ratio by approximately 12.9% and the working efficiency by almost 15.9% compared with other state-of-the-art algorithms.

Contexts-management strategy in considering the security in urban computing based on urban design

Urban Computing (UrC) provides users with the situation-proper information by considering context of users, devices, and social and physical environment in urban life. With social network services, UrC makes it possible for people with common interests to organize a virtual-society through exchange of context information among them. In these cases, people and personal devices are vulnerable to fake and misleading context information which is transferred from unauthorized and unauthenticated servers by attackers. So called smart devices which run automatically on some context events are more vulnerable if they are not prepared for attacks. In this paper, we illustrate some UrC service scenarios, and show important context information, possible threats, protection method, and secure context management for people.