Sistema de Comunicações para as Ilhas Desertas

Esta dissertação tem como principal objectivo, propor um sistema de comunicações para as Ilhas Desertas que vise atender às necessidades expostas pelo PNM - Parque Natural da Madeira. Localizadas a 22 milhas marítimas do Funchal, as ilhas Desertas não dispõem de cobertura da rede móvel GSM - Global Standard for Mobile, nem de qualquer outra infra-estrutura de comunicações que permita a comunicação entre os vigilantes e a estação de serviço - doca. Esta falta de comunicação torna-se mais problemática aquando da realização de acções de fiscalização e vigilância, já que em caso de acidente não será possível pedir auxílio. Dada esta realidade propomos a criação de uma rede de rádio móvel terrestre para as Ilhas Desertas, com a instalação de vários repetidores UHF no topo das ilhas. O projecto desta rede será fundamentado com a realização de um estudo de cobertura para as três ilhas que incluirá a avaliação e análise de vários modelos de propagação. Esta análise é realizada com recurso a duas ferramentas de software, Radio-Mobile e DifractionLoss, tendo este último sido desenvolvido no âmbito desta dissertação. De forma a melhorar a cobertura da rede GSM na estação de serviço do PNM na Deserta Grande, sugerem-se duas soluções: a primeira consiste na instalação de um repetidor GSM de frequência deslocada e a segunda na instalação de uma NanoBTS. Além da falta de comunicação na área das ilhas Desertas, a falta de comunicação com a ilha da Madeira é também uma realidade. Perante esta situação sugere-se a criação de uma ligação por feixes hertzianos de alta frequência entre a estação de serviço do PNM na Deserta Grande e a sede do PNM, localizada na zona do Jardim Botânico na Ilha da Madeira. O projecto desta ligação apresenta um planeamento e dimensionamento de acordo com as necessidades apresentadas pelo PNM, assim como um estudo de propagação baseado num procedimento teórico e em simulações de software. É também proposto um sistema de videovigilância controlado remotamente com o objectivo de permitir a monitorização remota dos lobos-marinhos.

Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

In the last decade mobile wireless communications have witnessed an explosive growth in the user’s penetration rate and their widespread deployment around the globe. It is expected that this tendency will continue to increase with the convergence of fixed Internet wired networks with mobile ones and with the evolution to the full IP architecture paradigm. Therefore mobile wireless communications will be of paramount importance on the development of the information society of the near future. In particular a research topic of particular relevance in telecommunications nowadays is related to the design and implementation of mobile communication systems of 4th generation. 4G networks will be characterized by the support of multiple radio access technologies in a core network fully compliant with the Internet Protocol (all IP paradigm). Such networks will sustain the stringent quality of service (QoS) requirements and the expected high data rates from the type of multimedia applications to be available in the near future. The approach followed in the design and implementation of the mobile wireless networks of current generation (2G and 3G) has been the stratification of the architecture into a communication protocol model composed by a set of layers, in which each one encompasses some set of functionalities. In such protocol layered model, communications is only allowed between adjacent layers and through specific interface service points. This modular concept eases the implementation of new functionalities as the behaviour of each layer in the protocol stack is not affected by the others. However, the fact that lower layers in the protocol stack model do not utilize information available from upper layers, and vice versa, downgrades the performance achieved. This is particularly relevant if multiple antenna systems, in a MIMO (Multiple Input Multiple Output) configuration, are implemented. MIMO schemes introduce another degree of freedom for radio resource allocation: the space domain. Contrary to the time and frequency domains, radio resources mapped into the spatial domain cannot be assumed as completely orthogonal, due to the amount of interference resulting from users transmitting in the same frequency sub-channel and/or time slots but in different spatial beams. Therefore, the availability of information regarding the state of radio resources, from lower to upper layers, is of fundamental importance in the prosecution of the levels of QoS expected from those multimedia applications. In order to match applications requirements and the constraints of the mobile radio channel, in the last few years researches have proposed a new paradigm for the layered architecture for communications: the cross-layer design framework. In a general way, the cross-layer design paradigm refers to a protocol design in which the dependence between protocol layers is actively exploited, by breaking out the stringent rules which restrict the communication only between adjacent layers in the original reference model, and allowing direct interaction among different layers of the stack. An efficient management of the set of available radio resources demand for the implementation of efficient and low complexity packet schedulers which prioritize user’s transmissions according to inputs provided from lower as well as upper layers in the protocol stack, fully compliant with the cross-layer design paradigm. Specifically, efficiently designed packet schedulers for 4G networks should result in the maximization of the capacity available, through the consideration of the limitations imposed by the mobile radio channel and comply with the set of QoS requirements from the application layer. IEEE 802.16e standard, also named as Mobile WiMAX, seems to comply with the specifications of 4G mobile networks. The scalable architecture, low cost implementation and high data throughput, enable efficient data multiplexing and low data latency, which are attributes essential to enable broadband data services. Also, the connection oriented approach of Its medium access layer is fully compliant with the quality of service demands from such applications. Therefore, Mobile WiMAX seems to be a promising 4G mobile wireless networks candidate. In this thesis it is proposed the investigation, design and implementation of packet scheduling algorithms for the efficient management of the set of available radio resources, in time, frequency and spatial domains of the Mobile WiMAX networks. The proposed algorithms combine input metrics from physical layer and QoS requirements from upper layers, according to the crosslayer design paradigm. Proposed schedulers are evaluated by means of system level simulations, conducted in a system level simulation platform implementing the physical and medium access control layers of the IEEE802.16e standard.

Monitorização ambiental em espaços florestais com rede de sensores sem fios

O objectivo deste projecto é desenvolver um sistema de monitorização florestal recorrendo às Redes de Sensores sem Fios. Para a monitorização florestal foi desenvolvido um protótipo cuja função é obter periodicamente os valores de temperatura, humidade, luminosidade, tensão nas baterias e a indicação do nível de sinal de rádio frequência recebido (RSSI- Received Signal Strength Indicator). O equipamento referido foi instalado num ambiente exterior, com características semelhantes à de interesse de modo a permitir avaliar os efeitos do ambiente no desempenho da rede. O funcionamento das Redes de Sensores sem Fios, baseadas no protocolo ZigBee, foi estudado e depois aplicado para transmitir os valores obtidos. Os dados referidos percorrem a rede ZigBee até alcançar a estação base, que tem como função processar, manipular, armazenar numa base de dados e disponibilizar os dados em tempo real através de uma página de Internet. Como os dados são armazenados é sempre possível efectuar uma consulta à base de dados para realização de estudos e estatísticas. Tendo em conta a capacidade limitada dos sistemas de armazenamento de energia utilizados em ambientes exteriores, foi desenvolvido um algoritmo que permite comutar os dispositivos na rede ZigBee de router para end-device e vice-versa, de modo a diminuir o consumo de energia e aumentar o tempo de vida da rede. Este algoritmo foi testado numa situação em que os nós sensores estão colocados em linha, existindo um único salto entre os mesmos.

Sistema autónomo de alimentação para monitorização ambiental

Este projecto tem como principal objectivo a criação de sistemas autónomos de^alimentação para redes de sensores sem fios (RSSF) que prolonguem a autonomia das mesmas. Considerando que, geralmente, a alimentação das RSSF é fornecida por baterias e devido à limitação que estas impõem a nível de durabilidade e autonomia é crucial desenvolver sistemas capazes de captar e armazenar energia ambiental de modo a disponibilizá-la aos nós sensores quando estes necessitarem. Assim sendo, este projecto apresenta três protótipos cujo intuito visa prolongar a longevidade dos nós sensores. Nesta conformidade recorreu-se ao aproveitamento da energia produzida pelo sol, vento e cursos de água. Foram estudados dois protótipos solares, um com ligação directa ao elemento de armazenamento e o outro com um circuito que deve transferir o máximo de potência fornecida pela fonte. Para o aproveitamento do fluxo de ar foi desenvolvido um pequeno gerador trifásico com uma estrutura de captação de energia segundo o modelo de pás do aerogerador Savonius. As características (tensão e corrente) foram analisadas com o objectivo de poder desenvolver um circuito de controlo de carga para as baterias. O último sistema de controlo foi dirigido ao aproveitamento da água proveniente das levadas ou ribeiras. Este sistema também é composto por um pequeno gerador trifásico ao qual foi associado um sistema de pás do tipo Pelton. Este protótipo foi proposto para situações em o caudal à saída de um reservatório se mantém constante evitando desta forma, a necessidade de utilização de elementos de armazenamento de energia Todos os sistemas possuem circuitos que permitem a monitorização de variáveis fundamentais para a avaliação dos mesmos. Para a transferência de dados foi utilizada uma rede de sensores sem fios, com recurso a um rádio XBee. Estes dados são encaminhados para uma base de dados presente na estação central. Após todo o tratamento de dados, a informação é disponibilizada através de uma página da Internet.

Sistema de transmissão de dados de uma aplicação remota

O principal objetivo deste projeto foi propor um sistema de aquisição de dados de uma aplicação remota. Existem diversas aplicações que requerem a recolha de informação remota, sendo, para isso, necessário estabelecer um sistema de comunicação dedicado. Este trabalho procurou encontrar as melhores soluções para o problema em causa, testando e avaliado um sistema de comunicação. Para testar o sistema foi desenvolvido um protótipo de monotorização de parâmetros ambientais, que mede periodicamente os valores de temperatura, humidade, luminosidade e pressão atmosférica. A comunicação entre sensores foi realizada com recurso a rádios XBee com protocolo Zigbee. Foi, também, desenvolvido um nó de coordenação que tem como objetivo principal gerir e manter todo o sistema de aquisição de dados. Este protótipo recebe, valida e armazena num cartão SD todos os dados provenientes do nó sensor e periodicamente envia os dados para um servidor com acesso a internet. A aquisição de dados em aplicações remotas, normalmente, é efetuada em zonas de ausência de energia elétrica. Então, tendo em consideração a capacidade reduzida dos sistemas de armazenamento de energia, foram desenvolvidos sistemas de alimentação através de energia solar, focando-se no mínimo de consumo possível. Para a comunicação de longa distância foi implementado e testado um sistema de feixes hertzianos. Estudou-se a propagação, utilizando a banda isenta de licença dos 2,4 GHz. Projetou-se uma ligação entre dois pontos e procedeu-se à validação das áreas de cobertura, a qual requer a estimação do sinal nos pontos de interesse. Verificou-se as zonas de interferência e as zonas onde o sinal é fraco ou está no seu limite. O desenvolvimento deste sistema de comunicação foi fundamentado com a análise e avaliação dos modelos de propagação, juntamente com o software criado em plataforma Matlab. Finalmente foram apresentadas as conclusões e algumas sugestões de trabalhos futuros.