Desenvolvimento, implementação e testes de um sistema de comunicação sem fio heterogêneo para acesso à serviços: aplicações na telemedicina e domótica

Nos últimos de 20 anos, economia e tecnologia evoluíram em muitas direções e em novas áreas. Muitas dessas evoluções criaram oportunidades que estão sendo consideradas na concepção de futuras redes de comunicação. Estas novas possibilidades estão relacionadas à, sobretudo, utilização da internet para o acesso à serviços e englobam: mobilidade; tecnologias de baixo custo; crescimento e empregos (pela Internet participa-se de cada processo de negócios e produção); serviços; educação (oportunidade para as pessoas crescerem e se desenvolverem); entretenimento (mundos virtuais para o lazer, compras e jogos); volume de tráfego maior (texto, voz, imagens, vídeo). Como uma consequência, a Internet se tornou, semelhante a eletricidade ou água, um bem público. Com quase 2 bilhões de usuários (aproximadamente 28% da população mundial), a Internet está se tornando, cada vez mais, uma infraestrutura difusivo oferecendo em qualquer lugar, a qualquer momento conectividade e serviços. Este mundo da Internet atual é o resultado de sucessivas alterações que aconteceram desde o seu surgimento e que tornaram a infraestrutura de comunicação de importância crítica. Em termos de tecnologias de comunicação, os sistemas móveis sem fio têm um lugar especial devido a sua difusão excepcional na última década e que, junto com a Internet, tem permitido o aparecimento de dispositivos inteligentes, a introdução de novos serviços inovadores e exigindo, para tanto, um ambiente que suporte a inovação e criatividade. Porém, os vários padrões de redes para suporte, principalmente, ao acesso de última milha são desvantagens na perspectiva do usuário, pois este tem de se habilitar nessas redes (contratar os serviços) e, não raro, ter terminais específicos para o acesso. A idéia de um padrão único para estas redes não obteve resultados satisfatórios e uma solução aponta para a integração dessas redes para prover acesso único e transparente ao usuário. Esse trabalho, portanto, apresenta uma solução embarcada para integrar padrões de comunicações sem fio heterogênea do tipo IEEE 802.15.4 ZigBee, IEEE 802.20 GSM/GPRS e IEEE 802.2 Wi-Fi. Essa heterogeneidade de tecnologias sem fio permite a um usuário em movimento, através de seu terminal local ou remoto, acessar aplicativos e serviços de forma transparente. A avaliação de desempenho da solução foi realizada utilizando-se dois tipos de serviços: domótica e telemedicina. Os resultados indicaram que a solução proposta consegue integrar e prover os serviços com segurança e confiabilidade.

Planejamento de redes de comunicação sem fio para ambiente indoor considerando os efeitos da polarização das antenas: abordagem baseada em medições

Uma das principais aplicações de ondas eletromagnéticas, na atualidade, na área de telecomunicações trata dos enlaces em sistemas móveis sem fio. Sejam estes terrestres (indoor/outdoor) ou via satélites, o projetista do sistema de telecomunicações tem que ser capaz de determinar os sistemas irradiantes, as potências envolvidas, a frequência de operação do sistema, a área de cobertura e os parâmetros de qualidade do serviço. O planejamento das novas redes de comunicações sem fio representa um grande desafio ao incluir serviços cada vez mais avançados com diferentes requisitos de qualidade, suporte a mobilidade, altas taxas de transmissão e capacidades elevadas de tráfego. Os diversos ambientes nos quais essas redes operam, os fenômenos associados produzem diversos efeitos no comportamento do sinal recebido e, consequentemente, uma variação no desempenho do enlace de comunicação entre os pontos de acesso, a rede e os usuários. Por conseguinte, esses efeitos devem ser avaliados corretamente, de tal forma que o dimensionamento da rede atenda aos requisitos de qualidade regulamentados. O presente trabalho objetiva estabelecer uma metodologia para o planejamento de redes de comunicação sem fio para ambientes indoor, considerando os parâmetros de qualidade de serviços e os efeitos da polarização das antenas. Foi proposto um modelo empírico para determinar a área de cobertura desse ambiente a partir de uma abordagem baseada em medições. Como resultado de campanhas de medições, foram identificados os principais parâmetros que interferem nas perdas no enlace de propagação, destacando-se os materiais envolvidos no ambiente bem como os efeitos da polarização das antenas transmissora, entre outros. Tais efeitos, avaliados corretamente, permitirão ao projetista da rede, de uma forma crítica e com base em dados obtidos em campo, definir a melhor configuração de parâmetros e critérios de projeto para a implantação de uma rede móvel de acesso sem fio. As medições para determinação dos parâmetros de cobertura e de qualidade de serviços foram realizadas no prédio do Laboratório de Engenharia Elétrica e de Computação e no prédio de aulas do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará. Nas campanhas de medição foram utilizadas algumas frequências, escolhidas devido à importância dos serviços disponibilizados: 2,4 GHz - redes locais sem fio (WLAN’s); 3,5 GHz - Wimax licenciado; 5,85 GHz - Wimax livre e 10 GHz (a faixa de 9,8 a 10 GHz não está ainda regulamentada, de 10 - 10,15 GHz-radioamador (Resolução Anatel, Nº 452/2006 - D.O.U. de 20.12.2006) ou serviços de comunicações multimídias (SCM) para sistemas em banda larga). Os principais resultados obtidos com o modelo proposto foram avaliados e comparados com os principais modelos da literatura e mostraram que a metodologia adotada para o planejamento de redes de comunicação sem fio em ambientes indoor teve um bom desempenho.

SIMPLARCOM: simulador para planejamento de redes de comunicação sem fio utilizando realidade virtual e modelos de propagação

Este simulador é formado pela junção de técnicas de Realidade Virtual com modelos de propagação, desenvolvidos através dos estudos de rádio enlace, que descrevem a perda que o sinal transmitido sofre ao longo do percurso no ambiente. O simulador possui dois módulos. O primeiro permite a criação do ambiente virtual com o posicionamento, sobre um terreno, de prédios, árvores, carros, antenas e outras primitivas que permitem a construção de um ambiente tridimensional customizável. O segundo módulo permite a configuração dos parâmetros relacionados a propagação de sinal de antenas como a potência, a frequência, o ganho, etc., e também selecionar o modelo de propagação para a execução da simulação. Dentro deste segundo módulo, existe um submódulo responsável pelo estudo do planejamento da área de cobertura composta pelas antenas, em outras palavras, este submódulo simula a distância que cada antena no cenário consegue atingir e gera a respectiva área de cobertura. Para demonstrar a eficiência do simulador foram criados dois ambientes virtuais para testes. Um cenário representando um ambiente urbano onde empregou-se um modelo de propagação clássico, Okumura-Hata para cidades pequenas e médias, e um ambiente tridimensional arborizado utilizando um modelo especifico para simulação de propagação para regiões densamente arborizadas, desenvolvido na Universidade Federal do Pará chamado de Lyra-Castro-UFPA.

Planejamento de redes de comunicação sem fio para ambientes indoor considerando aplicações multimídia: abordagem híbrida - simulação e medição

As tecnologias wireless vêm evoluindo de forma rápida nas últimas décadas, pois são uma eficiente alternativa para transmissão de informações, sejam dados, voz, vídeos e demais serviços de rede. O conhecimento do processo de propagação dessas informações em diferentes ambientes é um fator de grande importância para o planejamento e o desenvolvimento de sistemas de comunicações sem fio. Devido ao rápido avanço e popularização dessas redes, os serviços oferecidos tornaram-se mais complexos e com isso, necessitam de requisitos de qualidades para que sejam ofertados ao usuário final de forma satisfatória. Devido a isso, torna-se necessário aos projetistas desses sistemas, uma metodologia que ofereça uma melhor avaliação do ambiente indoor. Essa avaliação é feita através da análise da área de cobertura e do comportamento das métricas de serviços multimídia em qualquer posição do ambiente que está recebendo o serviço. O trabalho desenvolvido nessa dissertação objetiva avaliar uma metodologia para a predição de métricas de qualidade de experiência. Para isso, foram realizadas campanhas de medições de transmissões de vídeo em uma rede sem fio e foram avaliados alguns parâmetros da rede (jitter de pacotes/frames, perda de pacotes/frames) e alguns parâmetros de qualidade de experiência (PSNR, SSIM e VQM). Os resultados apresentaram boa concordância com os modelos da literatura e com as medições.

Modelo de propagação para redes sem fio fixas na banda de 5,8 GHZ em cidades típicas da região amazônica

O estudo da perda de propagação, nas cidades da região amazônica, envolve ambiente caracterizado pelo clima tropical e, suburbano densamente arborizado. Levando consideração à importância da faixa ISM 5,8 GHz, esta dissertação apresenta um modelo propagação para a faixa de frequência em questão, agregando as características da atenuação experimentada pela onda de rádio quando se propaga em ambientes de cidades típicas região amazônica. Para tanto, medidas de potência recebida foram coletadas em 335 clientes fixos, distribuídos em 12 cidades na região norte do Brasil, sendo estes atendidos pelo programa de inclusão digital do estado do Pará, Navega Pará. Também foram realizadas medidas com mobilidade no campus da Universidade Federal do Pará (UFPA). Apresenta ainda o desempenho do modelo proposto sobre outros modelos (Modelo SUI e COST231-Hata) descritos na literatura, para redes sem fio fixas e com mobilidade. As métricas desempenho utilizadas foram o erro RMS e o desvio padrão com relação aos dados medidos. O ajuste dos parâmetros do modelo proposto é realizado através do método de mínimos quadrados lineares, aplicado em duas etapas para diminuir a incerteza sobre os parâmetros ajustados. O modelo proposto alcançou um erro RMS de 3,8 dB e desvio padrão de 2,3 dB, superando os demais modelos que obtiveram erros RMS acima de 10 dB e desvios padrão acima de 5 dB. Os resultados obtidos mostram a sua eficiência sobre outros modelos para predição de perdas na faixa de 5,8 GHz em sistemas fixos e móveis.

Controle conjunto de admissão de chamadas em redes sem fio co-localizadas

Gerenciamento de recursos de rádio é um tema importante e desafiador em redes sem fio. Na próxima geração de redes (redes 4G) esse tema é ainda mais desafiador devido à necessidade de gerenciamento de recursos das diversas redes sem fio de forma conjunta. Algoritmos de controle de admissão de chamadas (CAC) é uma alternativa viável e amplamente estudada em redes homogêneas para este fim. Contudo, os algoritmos de CAC propostos para redes homogêneas não são adequados para a próxima geração de redes sem fio por não possuírem uma visão global do sistema. Diante da importância de gerenciamento de recursos de rádio e da escassez de algoritmos de CAC destinados às redes heterogêneas, tem-se este tema como foco primário deste trabalho. Além da confecção de um modelo para controle conjunto de admissão de chamadas através da utilização de processos semi-markovianos de decisão, dada a existência de um conglomerado de tecnologias de acesso sem fio atuando colaborativamente, um estudo é realizado buscando-se avaliar o impacto da proporcionalidade existente entre os tamanhos de áreas de coberturas, no desempenho do sistema.

Projeto e implementação de um nodo sensor para aquisição de sinais de extensômetros em redes de sensores sem fio aplicado ao monitoramento de deformações em estruturas

Esta dissertação tem como objetivo principal propor um nodo (ou nó) sensor sem fio para ser utilizado em redes de sensores sem fio, em sistemas de aquisição de dados de extensômetros. O sistema de aquisição para os extensômetros é baseado na ponte de Wheatstone e de modo a permitir várias configurações de extensômetros. O processamento e a comunicação sem fio é realizada pelo ATmega128RFA1, composto por um microcontrolador e um transceiver Rádio-Frequência com o padrão Zigbee. O nodo foi projetado para garantir confiabilidade na aquisição de dados e ser totalmente controlado remotamente. Entre os parâmetros controláveis estão: o ganho do sinal e a taxa de amostragem. Além disso, o nodo possui recursos para efetuar o equilíbrio da ponte de Wheatstone automaticamente. A escolha de seus componentes, baseou-se em critérios relacionados ao consumo de energia do mesmo e ao custo. Foi concebida uma placa de circuito impresso (PCI) para o nodo, e sobre ela foram realizadas estimativas sobre o consumo de energia e valor agregado do protótipo, com o objetivo de analisar a sua viabilidade. Além do projeto do nodo sensor, o trabalho apresenta a proposta de integração do mesmo em uma rede de sensores sem fio (RSSF), incluindo a sugestão do hardware complementar e desenvolvimentos dos softwares. Para os testes do nodo sensor, foi construido experimentalmente um transdutor de força.

Estratégia de redução de consumo de energia em redes de sensores sem fio heterogêneas utilizando lógica fuzzy

O avanço nas áreas de comunicação sem fio e microeletrônica permite o desenvolvimento de equipamentos micro sensores com capacidade de monitorar grandes regiões. Formadas por milhares de nós sensores, trabalhando de forma colaborativa, as Redes de Sensores sem Fio apresentam severas restrições de energia, devido à capacidade limitada das baterias dos nós que compõem a rede. O consumo de energia pode ser minimizado, permitindo que apenas alguns nós especiais, chamados de Cluster Head, sejam responsáveis por receber os dados dos nós que formam seu cluster e propagar estes dados para um ponto de coleta denominado Estação Base. A escolha do Cluster Head ideal influencia no aumento do período de estabilidade da rede, maximizando seu tempo de vida útil. A proposta, apresentada nesta dissertação, utiliza Lógica Fuzzy e algoritmo k-means com base em informações centralizadas na Estação Base para eleição do Cluster Head ideal em Redes de Sensores sem Fio heterogêneas. Os critérios usados para seleção do Cluster Head são baseados na centralidade do nó, nível de energia e proximidade para a Estação Base. Esta dissertação apresenta as desvantagens de utilização de informações locais para eleição do líder do cluster e a importância do tratamento discriminatório sobre as discrepâncias energéticas dos nós que formam a rede. Esta proposta é comparada com os algoritmos Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH) e Distributed energy-efficient clustering algorithm for heterogeneous Wireless sensor networks (DEEC). Esta comparação é feita, utilizando o final do período de estabilidade, como também, o tempo de vida útil da rede.

Handoff de espectro em redes baseadas em rádio cognitivo utilizando redes neurais artificiais

Hoje, o espectro de rádio é um dos mais importantes recursos naturais no mundo. Segundo relatórios da FCC (do inglês, Federal Communications Commission), as bandas licenciadas, apesar de abundantes, são pobremente utilizadas. A tecnologia de rádio cognitivo visa melhorar a eficiência espectral através do acesso oportunista ao espectro. Permite que novas aplicações baseadas em comunicação sem fio sejam suportadas, sem interferir na comunicação licenciada e buscando garantir a qualidade de serviço das aplicações que a utilizam. Neste âmbito, o handoff de espectro é um dos requisitos essenciais e críticos na adoção desta tecnologia. Este trabalho realiza uma discussão da tecnologia de rádio cognitivo, propõe e avalia uma estratégia proativa para handoff de espectro em redes baseadas em rádio cognitivo utilizando Redes Neurais Artificiais. O desempenho da proposta em termos de nível de interferência ao usuário primário, número de handoffs de espectro realizado pelo usuário secundário e utilização espectral, é comparado com o obtido por um esquema reativo. Diferentemente de outras propostas que se baseiam em modelos estocásticos pré-definidos, utilizaram-se medidas reais de sensoriamento disponibilizados pelo IEEE Dyspan 2008 para avaliar a proposta. Resultados numéricos mostram a superioridade do esquema proposto.

Supressão de interferência em sistemas de banda ultra larga e classificação automática de modulação

Esta tese apresenta duas contribuições distintas na área de sistemas de comunicações sem fi o. Primeiro, é apresentada uma formulação analítica para a análise de desempenho de sistemas utilizando multiplexação multibanda por divisão ortogonal na frequência (MB-OFDM, do inglês Multi-Band Orthogonal Frequency-Division Multiplexing ) com um ltro notch para mitigar a interferência em banda estreita causada por outros sistemas que operam dentro da faixa de frequências alocada para sistemas UWB. Em seguida, um novo front end para classificação automática de modulações com o uso de aprendizado discriminativo é proposto. Esse front end pode ser utilizado por qualquer classi cador discriminativo e consiste em ordenar magnitude e fase do símbolos recebidos. Os resultados obtidos pelo classi cador proposto mostraram-se competitivos com outros algoritmos já existentes na literatura.

Gerenciamento de mobilidade transparente com suporte integrado a QoS/QoE em redes heterogêneas

Os avanços nas tecnologias de comunicação sem fio, a demanda por novas aplicações multimídia em tempo real, com requisitos de Qualidade de Serviço (QoS) e Qualidade de Experiência (QoE), e a proliferação de equipamentos móveis, originam o surgimento de soluções que permitem mobilidades horizontais e verticais em redes heterogêneas, de modo transparente. Esses dispositivos móveis apresentam múltiplas interfaces sem fio, onde os usuários se conectam para realizar tarefas e serviços variados no seu dia a dia, mediante a tecnologia de redes diferentes, proporcionando um cenário heterogêneo com diversas oportunidades de conectividade para os usuários móveis. Visando solucionar o problema de várias conexões, feitas por usuários móveis, em uma mesma rede Wi-Fi (Wireless Fidelity) e/ou WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) com diferentes serviços executados, porém, utilizando incorretamente a rede, esta dissertação propõe uma técnica hierárquica de decisão de mobilidade transparente, baseada em uma função de custo, no padrão IEEE 802.21 e no mapeamento de classes de serviço para garantir QoS/QoE para usuários em períodos de mobilidade chamada de MIH2Q, onde essa política informa a melhor rede para ser utilizada, de acordo com o serviço utilizado pelo usuário móvel. A avaliação do impacto e os benefícios da proposta são feitas através de simulação no NS-2 (Network Simulator - version 2) e no evalvid, utilizando métricas de QoS e QoE para verificação dos resultados.

Aspectos de avaliação de desempenho em redes ponto a ponto e ponto multiponto baseados em modelagem Markoviana e medições

Esta tese apresenta uma metodologia para avaliação de desempenho de redes de acesso banda larga. A avaliação de desempenho de redes é uma forma de identificar e analisar como determinadas características tais como diferentes tipos de tráfego ou formas de utilização, por exemplo, podem influenciar no comportamento da rede em foco, podendo assim prever como tal rede se comportará frente a situações futuras. A metodologia apresentada é composta de duas abordagens: uma abordagem baseada em medições e outra baseada em modelagem via processos Markovianos. As redes analisadas englobam os dois tipos básicos de arquitetura de acesso: redes ADSL2+ (linha digital do assinante assimétrica 2+ – Asymmetric Digital Subscriber Line 2+), as quais são redes cabeadas que utilizam cabos metálicos de pares trançados; redes FBWN (rede sem fio banda larga fixa – Fixed Broadband Wireless Network), as quais são redes sem fio (wireless) baseadas no padrão IEEE 802.16. A abordagem de medições é focada na forma como a rede analisada se comporta frente a três situações: transmissão de um tráfego genérico; impacto de ruídos não-estacionários no sistema; e uso da rede como meio de transmissão de tráfego multimídia em tempo real. A abordagem de modelagem, por sua vez, ´e baseada em prever o comportamento das redes analisadas utilizando uma formulação matemática fundamentada em processos Markovianos. Os resultados apresentados indicam a viabilidade de aplicação desta metodologia como forma de avaliação de desempenho. Os resultados ainda tornam possível a extensão desta metodologia a outros tipos de redes de acesso banda larga, tais como: redes de fibras ópticas, redes de enlaces de microondas, redes VDSL/VDSL2 (linha digital do assinante de alta taxa de dados – Very-high-data-rate DSL), etc.

Simulação e avaliação das tecnologias LTE e DSL como backhaul utilizando software OPNET

A crescente demanda por capacidade vem levando os padrões de comunicação sem-fio a prover suporte para a coexistência de macro e pico células. O backhaul, conexão entre a rede de acesso e o núcleo da rede, é de grande interesse neste contexto devido aos diversos desafios técnicos e financeiros envolvidos ao tentar satisfazer o crescente tráfego dos usuários. Fibra óptica e micro-ondas com linha de visada são as opções mais amplamente adotadas para o backhaul de macro-células. Contudo, em muitas situações de interesse prático, estas não são factíveis devido aos altos custos e logística envolvidos. Este trabalho avalia o backhaul de pico-células, focando primeiramente na utilização de cobre como backhaul. O simulador OPNET foi utilizado para avaliar os requerimentos de backhaul para redes móveis em cenários específicos considerando garantir qualidade de serviço para os diversos tipos de tráfego envolvidos. Assumindo demandas de tráfego para LTE e LTE-Advanced, as tecnologias VDSL2 e G.fast são avaliadas e os resultados mostram que mesmo com uma grande demanda de aplicações de vídeo de alta definição, estas tecnologias podem acomodar o tráfego no backhaul de pico-células. VDSL2 é capaz de prover as taxas requeridas para cenários de pico-células LTE, mas não é capaz de acomodar tráfego LTE-Advanced típico. Por outro lado, considerando as taxas atingidas com a tecnologia G.fast, o tráfego backhaul para pico-células LTE-Advanced pode ainda ser entregue com garantias de qualidade de serviço. Neste trabalho também é proposta uma solução para simulação de cenários contendo redes de acesso heterogêneas considerando backhaul LTE sem linha de visada. São demonstrados também os resultados de simulações no OPNET com o backhaul LTE proposto para validar a solução proposta como capaz de caracterizar o tráfego de ambas as tecnologias WiFi e LTE na rede de acesso de acordo com o tipo de serviço.

Roteamento multicamada baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para redes de sensores sem fio

A pesquisa apresentada nesta dissertação descreve a elaboração de um protocolo de roteamento para aplicações de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) em cidade inteligentes com forte restrição de energia e alta densidade de nodos. Através do estudo dos principais objetivos da comunicação de dados e do levantamento do estado-da-arte sobre os protocolos de roteamento e tecnologias para RSSF, a proposta contempla requisitos como: vazão de dados, confiabilidade de entrega e eficiência energética. A pesquisa apresenta em detalhes o protocolo AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), bem como sua relevância no contexto de RSSF devido a sua popularidade entre as plataformas de dispositivos comercializados. Além disso, são apresentados protocolos derivados do AODV, e a ausência de uma proposta robusta capaz de contemplar os requisitos levantados. O protocolo REL (Routing by Energy and Link Quality) é o resultado da pesquisa levantada e a proposta de solução para roteamento plano sob demanda baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para prover um roteamento escalável, capaz de realizar balanceamento de carga e prolongar o tempo de vida da rede. O protocolo REL foi avaliado através de simulação e tesbed, a fim de garantir validação da proposta em ambiente real de escala reduzida e simulado de alta densidade. Os resultados mostraram que o protocolo REL apresenta considerável melhoria de entrega de dados através da escolha de enlaces confiáveis de transmissão e menos suscetíveis a erro, além de moderado consumo de energia capaz de prolongar o tempo de vida da rede, evitando a saturação prematura de nodos.

Otimização de cobertura, consumo de energia, roteamento e agregação de dados em rede de sensores sem fio utilizando algoritmos genéticos e lógica fuzzy

As Redes de Sensores Sem Fio possuem capacidades limitadas de processamento, armazenamento, comunicação (largura de banda) e fonte de energia, além de possuírem características e requisitos básicos de uma RSSF como: necessidade de se auto-organizar, comunicação com difusão de curto alcance e roteamento com múltiplos saltos. Neste trabalho é proposto uma ferramenta que otimize o posicionamento e os pacotes entregues através do uso de Algoritmo Genético (AG). Para solucionar o problema de roteamento que melhore o consumo de energia e maximize a agregação de dados é proposto a utilização de lógica fuzzy no protocolo de roteamento Ad hoc Ondemand Distance Vector (AODV). Esta customização é intitulada AODV – Fuzzy for Wireless Sensor Networks (AODV-FWSN). Os resultados mostram que a solução proposta é eficiente e consegue prolongar a vida útil da RSSF e melhorar a taxa de entrega de dados quando comparado com soluções similares.