Modelagem Cross-Layer da qualidade de experiência para transmissões de vídeo em sistemas sem fio OFDM

Este trabalho apresenta um estudo sobre transmissões de vídeo em sistemas sem fio. O objetivo da metodologia aplicada é comprovar a existência de uma relação direta entre a BER e a perda de qualidade (Perda de PSNR) nas transmissões de vídeo em sistemas OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Os resultados foram obtidos a partir de simulações, desenvolvidas no ambiente computacional Matlab®, e, aferições em cenários reais, realizadas no campus universitário e dentro do laboratório de estudos, em ambiente controlado. A partir da comparação entre dados simulados e aferidos, foi comprovada a relação entre BER e Perda de PSNR, resultando na formulação de um modelo empírico Cross-Layer com característica exponencial. A modelagem obteve erro RMS e desvio padrão próximos de 1,65 dB quando comparada com as simulações. Além disso, sua validação foi realizada a partir dos dados obtidos de cenários reais, que não foram usados para ajustar os parâmetros da equação obtida. O modelo obtido não necessita da especificação do tipo de canal ou codificação utilizada no FEC (Forward Error Correction), possibilitando uma futura integração com softwares de planejamento de redes, em versões comerciais ou open-sources.

Controladores robustos do tipo LQG/LTR de ordem reduzida para sistemas MIMO com saídas independentes de seus modos não dominantes

O objetivo principal desta dissertação é apresentar uma solução eficiente, prática e de simples implementação para um problema recorrente em projetos de controladores robustos multivariáveis do tipo LQG/LTR: a elevada ordem que estes controladores podem obter dependendo das complicações apresentadas pelo sistema dificultando para que este possa ser controlado de maneira satisfatória. Para que esta meta seja alcançada, é apresentada uma técnica de redução do modelo de sistemas com metodologia bastante descomplicada, dispensando qualquer necessidade de complexas programações para a sua utilização. Esta metodologia porém, é somente aplicável a uma classe bastante específica de sistema. Em suma, o sistema deve possuir variáveis de estado desacopladas do restante do sistema, ou seja, variáveis que não sofram influências de outras e que também não provoquem grande efeito nas saídas do sistema. Foi escolhido um sistema multivariável de sexta ordem, com duas entradas e duas saídas para que a técnica de redução de ordem de modelo seja testada. Este sistema possui as características especiais mencionadas anteriormente bem como exige o projeto de compensador dinâmico e a adição de integradores às suas saídas para que seja controlado adequadamente. Este trabalho pretende apresentar o procedimento de todo o projeto mencionado, desde a obtenção de um modelo de ordem reduzida até a implementação do controlador LQG/LTR. Em seguida, o controlador obtido é testado através de diversas simulações e os resultados encontrados são discutidos para a avaliação da eficácia e da praticidade do método proposto para obtenção de controladores de ordem reduzida.

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.

Planejamento de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas para unidades habitacionais de baixa renda

A presente pesquisa tem como finalidade fazer um levantamento do perfil de ocorrência de descargas atmosféricas nos municípios de Belém, Ananindeua e Marituba, no período de 1991 até 2011 com o objetivo de determinar as características de ocorrência de raios nesses municípios, bem como identificar quais fatores precisam ser observados e/ou identificados com o intuito de se realizar um adequado planejamento de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em empreendimentos habitacionais de baixa renda construídos pelo programa de aceleração do crescimento do governo federal, mais precisamente no conjunto habitacional Taboquinha, localizado no bairro do Cruzeiro em Icoaraci. A partir da análise comparativa realizada com dados de detecção de raios provenientes da rede de detecção de raios STARNET, dados de ocorrência de raios provenientes do sensor LIS instalado a bordo do satélite TRMM, bem como de dados provenientes da norma NBR 5419, concluiu-se que o presente conjunto habitacional necessita da instalação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas em virtude do registro de ocorrências de sinistros envolvendo a incidência direta de descargas atmosféricas, bem como de seus efeitos secundários. Ao final do trabalho de pesquisa são apresentados tópicos de discussão associados a conclusões sobre o perfil de ocorrência de raios na presente região de estudo que são explicitadas pela norma NBR 5419, fatos estes que podem vir a prejudicar o patrimônio público, bem como os cidadãos comuns e suas edificações.

Otimização do processo de aprendizagem da estrutura gráfica de Redes Bayesianas em BigData

A automação na gestão e análise de dados tem sido um fator crucial para as empresas que necessitam de soluções eficientes em um mundo corporativo cada vez mais competitivo. A explosão do volume de informações, que vem se mantendo crescente nos últimos anos, tem exigido cada vez mais empenho em buscar estratégias para gerenciar e, principalmente, extrair informações estratégicas valiosas a partir do uso de algoritmos de Mineração de Dados, que comumente necessitam realizar buscas exaustivas na base de dados a fim de obter estatísticas que solucionem ou otimizem os parâmetros do modelo de extração do conhecimento utilizado; processo que requer computação intensiva para a execução de cálculos e acesso frequente à base de dados. Dada a eficiência no tratamento de incerteza, Redes Bayesianas têm sido amplamente utilizadas neste processo, entretanto, à medida que o volume de dados (registros e/ou atributos) aumenta, torna-se ainda mais custoso e demorado extrair informações relevantes em uma base de conhecimento. O foco deste trabalho é propor uma nova abordagem para otimização do aprendizado da estrutura da Rede Bayesiana no contexto de BigData, por meio do uso do processo de MapReduce, com vista na melhora do tempo de processamento. Para tanto, foi gerada uma nova metodologia que inclui a criação de uma Base de Dados Intermediária contendo todas as probabilidades necessárias para a realização dos cálculos da estrutura da rede. Por meio das análises apresentadas neste estudo, mostra-se que a combinação da metodologia proposta com o processo de MapReduce é uma boa alternativa para resolver o problema de escalabilidade nas etapas de busca em frequência do algoritmo K2 e, consequentemente, reduzir o tempo de resposta na geração da rede.

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.

Proposta de gerenciamento de dados para monitoramento de saúde estrutural utilizando redes de sensores ópticos FBG

Devido às suas características únicas, redes de sensores ópticos têm encontrado aplicação em muitos campos, como em Engenharia Civil, Engenharia Geotécnica, Aeronáutica, Energia e Indústrias de Petróleo & Gás. Soluções de monitoramento baseadas nessa tecnologia têm se mostrado particularmente rentáveis e podem ser aplicadas às estruturas de grande porte, onde centenas de sensores devem ser implantados para medições a longo prazo de diferentes parâmetros mecânicos e físicos. Sensores baseados em Grades de Bragg em fibra (FBGs) são a solução mais comumente utilizada no Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) e as medições são realizadas por instrumentos especiais conhecidos como interrogadores ópticos. Taxas de aquisição cada vez mais elevadas têm sido possíveis utilizando interrogadores ópticos mais recentes, o que dá origem a um grande volume de dados cuja manipulação, armazenamento, gerenciamento e visualização podem demandar aplicações de software especiais. Este trabalho apresenta duas aplicações de software de tempo real desenvolvidas para esses fins: Interrogator Abstraction (InterAB) e Web-based System (WbS). As inovações neste trabalho incluem a integração, sincronização, independência, segurança, processamento e visualização em tempo real, e persistência de dados ou armazenamento proporcionados pelo trabalho conjunto das aplicações desenvolvidas. Os resultados obtidos durante testes em laboratório e ambiente real demonstraram a eficiência, robustez e flexibilidade desses softwares para diferentes tipos de sensores e interrogadores ópticos, garantindo atomicidade, consistência, isolamento e durabilidade dos dados persistidos pelo InterAB e apresentados pelo WbS.

Sintonia de controlador fuzzy por algoritmo genético em sistema de nível de líquidos

O presente trabalho demonstra a aplicação de um Algoritmo Genético com o intuito de projetar um controlador Fuzzy MISO, através da sintonia de seus parâmetros, em um processo experimental de nivelamento de líquido em um tanque, cuja dinâmica apresenta características não-lineares. Para o projeto e sintonia do controlador, foi utilizado o suporte do software Matlab, e seus pacotes Simulink e Global Optimization Toolbox. O Controlador Fuzzy ora projetado teve seu desempenho avaliado através de ensaios em tempo real em um Sistema de Nível de Liquido.

IPSFlow: Um framework para Sistema de Prevenção de Intrusão baseado em Redes Definidas por Software

Os Sistemas de Detecção e Prevenção de Intrusão (Intrusion Detection Systems – IDS e Intrusion Prevention Systems - IPS) são ferramentas bastante conhecidas e bem consagradas no mundo da segurança da informação. Porém, a falta de integração com os equipamentos de rede como switches e roteadores acaba limitando a atuação destas ferramentas e exige um bom dimensionamento de recursos de hardware como processamento, memória e interfaces de rede de alta velocidade, utilizados para implementá-las. Diante de diversas limitações deparadas por pesquisadores e administradores de redes, surgiu o conceito de Rede Definida por Software (Software Defined Network – SDN), que ao separar os planos de controle e de dados, permite adaptar o funcionamento da rede de acordo com as necessidades de cada um. Desta forma, devido à padronização e flexibilidade propostas pelas SDNs, e das limitações apresentadas dos IPSs, esta dissertação de mestrado propõe o IPSFlow, um framework que utiliza uma rede baseada na arquitetura SDN e o protocolo OpenFlow para a criação de um IPS com ampla cobertura e que permite bloquear um tráfego caracterizado pelos IDS(s) como malicioso no equipamento mais próximo da origem. Para validar o framework, experimentos no ambiente virtual Mininet foram realizados utilizando-se o Snort como IDS para analisar tráfego de varredura (scan) gerado pelo Nmap de um host ao outro. Os resultados coletados apresentam que o IPSFlow funcionou conforme planejado ao efetuar o bloqueio de 85% do tráfego de varredura.

Acionamento vetorial por controlador fuzzy modo deslizante de motor de indução

Este trabalho estuda a técnica de acionamento vetorial aplicado ao motor de indução trifásico (MIT), utilizando como estratégia de controle a combinação de controle fuzzy com controladores chaveados do tipo modo deslizante, em uma configuração aqui denominada de Controlador Fuzzy Modo Deslizante (FSMC – Do inglês: Fuzzy Sliding Mode Control). Um modelo dinâmico do MIT é desenvolvido em variáveis ‘d-q’ o que conduziu a um modelo eletromecânico em espaço de estados que exibe fortes não linearidades. A este modelo são aplicadas as condições de controle vetorial que permitem desacoplar o torque e o fluxo no MIT, de maneira que o seu comportamento dinâmico se assemelha àquele verificado em uma máquina de corrente contínua. Nesta condição, são implementados controladores do tipo proporcional e integral (PI) às malhas de controle de corrente e velocidade do motor, e são realizadas simulações computacionais para o rastreamento de velocidade e perturbação de carga, o que levam a resultados satisfatórios do ponto de vista dinâmico. Visando investigar o desempenho das estratégias não lineares nesta abordagem é apresentado o estudo da técnica de controle a estrutura chaveada do tipo modo deslizante. Um controlador modo deslizante convencional é implementado, onde se verifica que, a despeito do excelente desempenho dinâmico a ocorrência do fenômeno do “chettering” inviabiliza a aplicação desta estratégia em testes reais. Assim, é proposta a estratégia de controle FSMC, buscando associar o bom resultado dinâmico obtido com o controlador modo deslizante e a supressão do fenômeno do chettering, o que se atinge pela definição de uma camada de chaveamento do tipo Fuzzy. O controlador FSMC proposto é submetido aos mesmos testes computacionais que o controlador PI, conduzindo a resultados superiores a este último no transitório da resposta dinâmica, porém com a presença de erro em regime permanente. Para atacar este problema é implementada uma combinação Fuzzy das estratégias FSMC com a ação de controle PI, onde o primeiro busca atuar em regiões afastadas da superfície de chaveamento e o segundo busca introduzir o efeito da ação integral próximo à superfície. Os resultados obtidos mostram a viabilidade da estratégia em acionamento de velocidade variável que exigem elevado desempenho dinâmico.

Predição de campo elétrico para TV digital usando Funções de Green diádicas

Este trabalho oferece um método para a predição da intensidade de campo elétrico para TV Digital utilizando a Função de Green diádica. A Diádica é uma ferramenta matemática eficiente que tem simplicidade simbólica e robustez permitindo, assim, que algumas características do meio (como permissividade, condutividade e permeabilidade, por exemplo) sejam consideradas na elaboração do modelo de campo elétrico, bem como levar em conta a anisotropia do meio. Na maior parte dos trabalhos correlatos, que utilizam as funções de Green diádicas, estão relacionados na faixa de VHF. Este trabalho irá apresentar desde os conceitos básicos das diádicas, desenvolvendo-a para o cálculo de um modelo que permita predizer o campo elétrico para a faixa de UHF, na qual os sistemas de TV Digital se encontram. Uma explanação teórica e um desenvolvimento matemático serão feitos de forma que um entendimento claro e objetivo sejam alcançados no estudo das funções de Green diádicas, numa parte da teoria do eletromagnetismo. Testes foram realizados para confirmar a aplicabilidade da formulação sugerida, fazendo simulações que realizem uma comparação entre os dados medidos, de duas emissoras de TV situadas na cidade de Belém, e o modelo de Okumura-Hata modificado, mostrando resultados satisfatórios, tanto para frequências na faixa de VHF e UHF.

Análise de handover a partir do uso de femtocells em redes LTE: abordagem baseada em simulação discreta

O volume de tráfego de dados em redes celulares está crescendo exponencialmente. A explosão do uso de dispositivos e aplicações móveis nos últimos anos, tem levado a uma sobrecarga da infraestrutura da rede responsável pelo escoamento desse tráfego, afetando tanto o desempenho da rede quanto a experiência do usuário. Um dos elementos-chave nas redes LTE (Long Term Evolution) é a possibilidade de implantação de múltiplas femtocells para a melhoria de cobertura e taxa de dados. No entanto, as sobreposições arbitrárias na cobertura dessas células tornam a gestão do mecanismo de handover complexo e desafiador. Nesse sentido, esta dissertação propõe uma metodologia para o estudo do impacto do handover em redes LTE com femtocells. A partir de uma abordagem de simulação discreta, os efeitos da implantação de femtocells foram avaliados. Objetivou-se com isso, mensurar os impactos e a correlação do uso de femtocell nos parâmetros de QoS (Quality of Service) e indicadores de desempenho de handover.

Estratégia de projeto de atribuição de comprimento de onda com restrição de camada física em redes WDM

O sistema WDM (Wavelength Division Multiplexing) é considerado como uma tecnologia madura para ser usada no backbone de redes ópticas. Entretanto, encontrar uma solução ótima para o algoritmo de atribuição de comprimento de onda no projeto e operação destas redes, ainda é uma questão em aberto. A pesquisa realizada nesta tese aborda os principais aspectos relacionados ao processo de atribuição de comprimento de onda em sistemas WDM, e como resultado foi proposta uma metodologia que minimiza a degradação do sinal óptico gerada pela modulação de fase cruzada (XPM – Cross-Phase Modulation). Esta proposta é composta por uma metodologia híbrida baseada em Coloração de Grafo e Algoritmo Genético (AG), sendo que o primeiro tem a função de reduzir o número de comprimentos de onda necessários para atender a matriz de tráfego (que é fornecida a priori) e o último tem a função de encontrar a ordem de ativação de canais na grade de comprimentos de onda, com o objetivo de reduzir o efeito XPM. A proposta foi comparada com o algoritmo First-Fit em diferentes cenários e topologias de redes, e demonstrou uma considerável redução na probabilidade de bloqueio.

Estratégia de identificação paramétrica aplicada à modelagem fenomenológica de um sistema do tipo correia transportadora industrial para fins de detecção de faltas

Os sistemas do tipo correia transportadora, são sistemas essenciais para grandes empresas, embora este equipamento apresente um elevado grau de criticidade, de modo que uma parada não planejada do mesmo, pode gerar perdas imensas ou até mesmo a parada de todo o processo produtivo. Tendo em vista a criticidade do equipamento, torna-se necessário realizar a monitoração adequada do mesmo e detectar com maior antecedência possível a ocorrência de alguma falta ocorrida no sistema. Objetivando reduzir as paradas não planejadas, investiga-se nesta dissertação a modelagem de um sistema do tipo correia transportadora com a finalidade de uso no monitoramento e diagnóstico de faltas neste tipo de sistema. Primeiramente é discutido um modelo fenomenológico do processo, o qual é baseado na aplicação das leis da mecânica e considerando-se os diversos tipos de força de oposição ao movimento de uma correia transportadora. Os principais parâmetros do transportador foram estimados utilizando-se técnicas de identificação baseadas em Mínimos Quadrados Não Recursivos. Em seguida, foi desenvolvido e implementado um algoritmo de detecção de faltas utilizando a teoria de análise intervalar, de modo que possibilite detectar condições inadequadas de funcionamento. Com o intuito de avaliar o desempenho do algoritmo proposto foi projetado e construído um protótipo que emula as condições operacionais típicas de um sistema real do tipo correia transportadora. Os resultados obtidos experimentalmente, confirmam o bom desempenho da metodologia proposta.

Estratégias de controle de ordem fracionária aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Neste trabalho é proposta uma nova metodologia de projeto de estabilizadores de sistemas de potência baseada em teoria de sistemas de ordem fracionária (ESP-OF). A estratégia é baseada em uma generalização do projeto de compensadores do tipo rede avançoatraso (lead-lag) para o domínio de funções de transferência de ordem fracionária. Uma nova variável de projeto, a qual define a ordem da dinâmica fracionária do controlador, é sintonizada para se obter um compromisso entre um bom desempenho no amortecimento do modo eletromecânico dominante e uma robustez ampliada do ESP-OF. O desempenho do ESP-OF foi avaliado experimentalmente, em um sistema de potência em escala reduzida, localizado no Laboratório de Sistemas de Potência da Universidade Federal do Pará. A referida planta de teste apresenta uma estrutura típica do tipo gerador síncrono conectado a um barramento infinito e exibe um modo dominante de oscilação eletromecânica, de amortecimento extremamente reduzido, cujo valor da frequência natural é em torno de 1,2 Hz. O ESP-OF foi então projetado para ampliar o amortecimento relativo desse modo alvo, para toda a faixa de operação admissível. Para fins de implementação prática, primeiramente foram realizados testes experimentais para a identificação de um modelo nominal da planta, sob a forma de uma função de transferência pulsada, para uso na fase de projeto. O modelo obtido experimentalmente foi então validado e posteriormente utilizado tanto para o projeto do ESP-OF quanto para o projeto de um ESP convencional (utilizado para fins de comparação de desempenho). As leis de controle amortecedor do ESP-OF foram calculadas, convertidas para a forma de equações a diferenças e, subsequentemente, embarcadas em sistema digital baseado em microcontrolador DSPIC. Diversos testes de resposta ao impulso foram realizadas sob diferentes condições operacionais. As respectivas respostas dinâmicas dos sinais de saída da planta (desvio de potencia ativa) e do esforço de controle foram registradas para fins de análise. Os resultados experimentais mostraram que o ESP fracionário apresentou um desemprenho dinâmico e robustez similar em comparação com o desempenho obtido por um ESP convencional, para toda a faixa de operação investigada.