A distributed algorithm for hexagonal topology formation in wireless sensor networks

Hexagonal wireless sensor network refers to a network topology where a subset of nodes have six peer neighbors. These nodes form a backbone for multi-hop communications. In a previous work, we proposed the use of hexagonal topology in wireless sensor networks and discussed its properties in relation to real-time (bounded latency) multi-hop communications in large-scale deployments. In that work, we did not consider the problem of hexagonal topology formation in practice - which is the subject of this research. In this paper, we present a decentralized algorithm that forms the hexagonal topology backbone in an arbitrary but sufficiently dense network deployment. We implemented a prototype of our algorithm in NesC for TinyOS based platforms. We present data from field tests of our implementation, collected using a deployment of fifty wireless sensor nodes.

Optimal methodology for distribution systems reconfiguration based on OPF and solved by decomposition technique

This paper presents a new and efficient methodology for distribution network reconfiguration integrated with optimal power flow (OPF) based on a Benders decomposition approach. The objective minimizes power losses, balancing load among feeders and subject to constraints: capacity limit of branches, minimum and maximum power limits of substations or distributed generators, minimum deviation of bus voltages and radial optimal operation of networks. The Generalized Benders decomposition algorithm is applied to solve the problem. The formulation can be embedded under two stages; the first one is the Master problem and is formulated as a mixed integer non-linear programming problem. This stage determines the radial topology of the distribution network. The second stage is the Slave problem and is formulated as a non-linear programming problem. This stage is used to determine the feasibility of the Master problem solution by means of an OPF and provides information to formulate the linear Benders cuts that connect both problems. The model is programmed in GAMS. The effectiveness of the proposal is demonstrated through two examples extracted from the literature.

Cloud computing sobre a plataforma Windows Azure

A utilização massiva da internet e dos serviços que oferece por parte do utilizador final potencia a evolução dos mesmos, motivando as empresas a apostarem no desenvolvimento deste tipo de soluções. Requisitos como o poder de computação, flexibilidade e escalabilidade tornam-se cada vez mais indissociáveis do desenvolvimento aplicacional, o que leva ao surgimento de paradigmas como o de Cloud Computing. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar o paradigma de Cloud Computing inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, a sua evolução histórica e comparados os diferentes tipos de implementações que suporta. O estudo detalha posteriormente a plataforma Azure, sendo analisada a sua topologia e arquitetura, detalhando-se os seus componentes e a forma como esta mitiga alguns dos problemas mencionados. Com o conhecimento teórico é desenvolvido um protótipo prático sobre esta plataforma, em que se exploram algumas das particularidades da topologia e se interage com as principais redes sociais. O estudo culmina com uma análise sobre os benefícios e desvantagens do Azure e através de um levantamento das necessidades da empresa, determinam-se as oportunidades que a utilização da plataforma poderá proporcionar.

RadiaLE: A framework for designing and assessing link quality estimators in wireless sensor networks

Stringent cost and energy constraints impose the use of low-cost and low-power radio transceivers in large-scale wireless sensor networks (WSNs). This fact, together with the harsh characteristics of the physical environment, requires a rigorous WSN design. Mechanisms for WSN deployment and topology control, MAC and routing, resource and mobility management, greatly depend on reliable link quality estimators (LQEs). This paper describes the RadiaLE framework, which enables the experimental assessment, design and optimization of LQEs. RadiaLE comprises (i) the hardware components of the WSN testbed and (ii) a software tool for setting-up and controlling the experiments, automating link measurements gathering through packets-statistics collection, and analyzing the collected data, allowing for LQEs evaluation. We also propose a methodology that allows (i) to properly set different types of links and different types of traffic, (ii) to collect rich link measurements, and (iii) to validate LQEs using a holistic and unified approach. To demonstrate the validity and usefulness of RadiaLE, we present two case studies: the characterization of low-power links and a comparison between six representative LQEs. We also extend the second study for evaluating the accuracy of the TOSSIM 2 channel model.

A time division beacon scheduling mechanism for IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree wireless sensor networks

While the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack is being considered as a promising technology for low-cost low-power Wireless Sensor Networks (WSNs), several issues in the standard specifications are still open. One of those ambiguous issues is how to build a synchronized multi-hop cluster-tree network, which is quite suitable for ensuring QoS support in WSNs. In fact, the current IEEE 802.15.4/Zigbee specifications restrict the synchronization in the beacon-enabled mode (by the generation of periodic beacon frames) to star-based networks, while it supports multi-hop networking using the peer-to-peer mesh topology, but with no synchronization. Even though both specifications mention the possible use of cluster-tree topologies, which combine multihop and synchronization features, the description on how to effectively construct such a network topology is missing. This paper tackles this problem, unveils the ambiguities regarding the use of the cluster-tree topology and proposes a synchronization mechanism based on Time Division Beacon Scheduling to construct cluster-tree WSNs. We also propose a methodology for an efficient duty cycle management in each router (cluster-head) of a cluster-tree WSN that ensures the fairest use of bandwidth resources. The feasibility of the proposal is clearly demonstrated through an experimental test bed based on our own implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol.

Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

An intelligent clustering scheme for distributed intrusion detection in vehicular cloud computing

In recent years, vehicular cloud computing (VCC) has emerged as a new technology which is being used in wide range of applications in the area of multimedia-based healthcare applications. In VCC, vehicles act as the intelligent machines which can be used to collect and transfer the healthcare data to the local, or global sites for storage, and computation purposes, as vehicles are having comparatively limited storage and computation power for handling the multimedia files. However, due to the dynamic changes in topology, and lack of centralized monitoring points, this information can be altered, or misused. These security breaches can result in disastrous consequences such as-loss of life or financial frauds. Therefore, to address these issues, a learning automata-assisted distributive intrusion detection system is designed based on clustering. Although there exist a number of applications where the proposed scheme can be applied but, we have taken multimedia-based healthcare application for illustration of the proposed scheme. In the proposed scheme, learning automata (LA) are assumed to be stationed on the vehicles which take clustering decisions intelligently and select one of the members of the group as a cluster-head. The cluster-heads then assist in efficient storage and dissemination of information through a cloud-based infrastructure. To secure the proposed scheme from malicious activities, standard cryptographic technique is used in which the auotmaton learns from the environment and takes adaptive decisions for identification of any malicious activity in the network. A reward and penalty is given by the stochastic environment where an automaton performs its actions so that it updates its action probability vector after getting the reinforcement signal from the environment. The proposed scheme was evaluated using extensive simulations on ns-2 with SUMO. The results obtained indicate that the proposed scheme yields an improvement of 10 % in detection rate of malicious nodes when compared with the existing schemes.

Distributed Sensing of Fluid Dynamic Phenomena with the XDense Sensor Grid Network

IEEE International Conference on Cyber Physical Systems, Networks and Applications (CPSNA'15), Hong Kong, China.

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.

Scalable and interference aware wi-fi mesh networks using cots devices

A crescente tendencia no acesso móvel tem sido potenciada pela tecnologia IEEE 802.11. Contudo, estas redes têm alcance rádio limitado. Para a extensão da sua cobertura é possível recorrer a redes emalhadas sem fios baseadas na tecnologia IEEE 802.11, com vantagem do ponto de vista do custo e da flexibilidade de instalação, face a soluções cabladas. Redes emalhadas sem fios constituídas por nós com apenas uma interface têm escalabilidade reduzida. A principal razão dessa limitação deve-se ao uso do mecanismo de acesso ao meio partilhado Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) em topologias multi-hop. Especificamente, o CSMA/CA não evita o problema do nó escondido levando ao aumento do número de colisões e correspondente degradação de desempenho com impacto direto no throughput e na latência. Com a redução da tecnologia rádio torna-se viável a utilização de múltiplos rádios por nó, sem com isso aumentar significativamente o custo da solução final de comunicações. A utilização de mais do que um rádio por nó de comuniações permite superar os problemas de desempenho inerentes ás redes formadas por nós com apenas um rádio. O objetivo desta tese, passa por desenvolver uma nova solução para redes emalhadas multi-cana, duar-radio, utilizando para isso novos mecanismos que complementam os mecanismos definidos no IEEE 802.11 para o estabelecimento de um Basic Service Set (BSS). A solução é baseada na solução WiFIX, um protocolo de routing para redes emalhadas de interface única e reutiliza os mecanismos já implementados nas redes IEEE 802.11 para difundir métricas que permitam à rede escalar de forma eficaz minimizando o impacto na performance. A rede multi-hop é formada por nós equipados com duas interfaces, organizados numa topologia hierárquica sobre múltiplas relações Access Point (AP) – Station (STA). Os resultados experimentais obtidos mostram a eficácia e o bom desempenho da solução proposta face à solução WiFIX original.

Serviço de correio eletrónico em ambiente marítimo utilizando redes tolerantes ao atraso

Delay Tolerant Network (DTN) é uma arquitetura de redes que procura resolver os problemas associados à conetividade intermitente de sistemas e possibilita a existência de comunicações em ambientes onde o conjunto de protocolos tradicionais TCP/IP não funciona. A arquitetura DTN é adequada a cenários com uma topologia de rede dinâmica, densidade de nós reduzida, conetividade intermitente e de curta duração entre os nós, e em que as aplicações são tolerantes ao atraso. Nesta dissertação é apresentada uma solução de baixo custo recorrendo ao conceito DTN que permite a utilizadores de embarcações utilizarem o serviço de correio eletrónico no mar. A solução estende o sistema de correio eletrónico ao cenário marítimo recorrendo a estações na costa, comunicação sem fios entre embarcações e entre estas e a estações na costa, e à capacidade das embarcações funcionarem como meios de transporte de dados. Para proceder à validação da proposta apresentada, foi implementado um protótipo com o sistema de correio eletrónico adaptado ao cenário marítimo. O protótipo é constituído por vários nós, configurados de forma a assumir o papel de embarcações, estação da costa e um servidor de e-mail presente na Internet. Os resultados dos testes experimentais realizados em ambiente controlado mostram que os objetivos do trabalho foram alcançados. O serviço de e-mail assente sobre a arquitetura DTN e adaptado ao cenário de comunicações marítimo foi testado em diferentes contextos, e em todos eles, as experiências tiveram resultados positivos.

Localização Ótima de Aparelhos de Corte Normalmente Abertos e Normalmente Fechados em Redes de Distribuição

Tipicamente as redes elétricas de distribuição apresentam uma topologia parcialmente malhada e são exploradas radialmente. A topologia radial é obtida através da abertura das malhas nos locais que otimizam o ponto de operação da rede, através da instalação de aparelhos de corte que operam normalmente abertos. Para além de manterem a topologia radial, estes equipamentos possibilitam também a transferência de cargas entre saídas, aquando da ocorrência de defeitos. As saídas radiais são ainda dotadas de aparelhos de corte que operam normalmente fechados, estes têm como objetivo maximizar a fiabilidade e isolar defeitos, minimizando a área afetada pelos mesmos. Assim, na presente dissertação são desenvolvidos dois algoritmos determinísticos para a localização ótima de aparelhos de corte normalmente abertos e fechados, minimizando a potência ativa de perdas e o custo da energia não distribuída. O algoritmo de localização de aparelhos de corte normalmente abertos visa encontrar a topologia radial ótima que minimiza a potência ativa de perdas. O método é desenvolvido em ambiente Matlab – Tomlab, e é formulado como um problema de programação quadrática inteira mista. A topologia radial ótima é garantida através do cálculo de um trânsito de potências ótimo baseado no modelo DC. A função objetivo é dada pelas perdas por efeito de Joule. Por outro lado o problema é restringido pela primeira lei de Kirchhoff, limites de geração das subestações, limites térmicos dos condutores, trânsito de potência unidirecional e pela condição de radialidade. Os aparelhos de corte normalmente fechados são localizados ao longo das saídas radiais obtidas pelo anterior algoritmo, e permite minimizar o custo da energia não distribuída. No limite é possível localizar um aparelho de corte normalmente fechado em todas as linhas de uma rede de distribuição, sendo esta a solução que minimiza a energia não distribuída. No entanto, tendo em conta que a cada aparelho de corte está associado um investimento, é fundamental encontrar um equilíbrio entre a melhoria de fiabilidade e o investimento. Desta forma, o algoritmo desenvolvido avalia os benefícios obtidos com a instalação de aparelhos de corte normalmente fechados, e retorna o número e a localização dos mesmo que minimiza o custo da energia não distribuída. Os métodos apresentados são testados em duas redes de distribuição reais, exploradas com um nível de tensão de 15 kV e 30 kV, respetivamente. A primeira rede é localizada no distrito do Porto e é caraterizada por uma topologia mista e urbana. A segunda rede é localizada no distrito de Bragança e é caracterizada por uma topologia maioritariamente aérea e rural.