A microstrip Yagi antenna using EBG structure

[1] In this paper a detailed design, development and performances of a 5 GHz microstrip Yagi antenna, which uses a two-dimensional (2-D) electromagnetic band gap (EBG) structure in the ground plane, are presented. The results indicate that the use of the EBG structure improves the radiation pattern of the antenna. The cross polarization is suppressed by properly choosing the period and dimensions of EBGs. Also, the broadside gain is improved in comparison with the analogous antenna without the EBGs.

Roteamento sensível ao contexto em redes de sensores sem fio : uma abordagem baseada em regras de aplicação para o Protocolo RPL

Este trabalho apresenta um serviço de reconfiguração dinâmica para Redes de Sensores sem Fio. O trabalho inclui o projeto e a definição de uma arquitetura conceitual que suporta a coleta de uma variedade de informações contextuais e provê uma abstração alto nível para especificação de roteamento sensível ao contexto através de reconfiguração de métricas de roteamento e parâmetros de comunicação. O objetivo da infraestrutura proposta é possibilitar a criação de regras que adaptem o comportamento da rede em tempo de execução, em função dessas informações contextuais. Uma implementação da arquitetura para o protocolo RPL e o sistema operacional Contiki foi realizada, mostrando a viabilidade da abordagem proposta.

Towards the design of efficient nonbeacon-enabled ZigBee networks

This paper presents experimental results of the communication performance evaluation of a prototype ZigBee-based patient monitoring system commissioned in an in-patient floor of a Portuguese hospital (HPG – Hospital Privado de Guimar~aes). Besides, it revisits relevant problems that affect the performance of nonbeacon-enabled ZigBee networks. Initially, the presence of hidden-nodes and the impact of sensor node mobility are discussed. It was observed, for instance, that the message delivery ratio in a star network consisting of six wireless electrocardiogram sensor devices may decrease from 100% when no hidden-nodes are present to 83.96% when half of the sensor devices are unable to detect the transmissions made by the other half. An additional aspect which affects the communication reliability is a deadlock condition that can occur if routers are unable to process incoming packets during the backoff part of the CSMA-CA mechanism. A simple approach to increase the message delivery ratio in this case is proposed and its effectiveness is verified. The discussion and results presented in this paper aim to contribute to the design of efficient networks,and are valid to other scenarios and environments rather than hospitals.

A Platform to Emulate Ambient Assisted Living Environments

According to the opinion of clinicians, emerging medical conditions can be timely detected by observing changes in the activities of daily living and/or in the physiological signals of a person. To accomplish such purpose, it is necessary to properly monitor both the person’s physiological signals as well as the home environment with sensing technology. Wireless sensor networks (WSNs) are a promising technology for this support. After receiving the data from the sensor nodes, a computer processes the data and extracts information to detect any abnormality. The computer runs algorithms that should have been previously developed and tested in real homes or in living-labs. However, these installations (and volunteers) may not be easily available. In order to get around that difficulty, this paper suggests the making of a physical model to emulate basic actions of a user at home, thus giving autonomy to researchers wanting to test the performance of their algorithms. This paper also studies some data communication issues in mobile WSNs namely how the orientation of the sensor nodes in the body affects the received signal strength, as well as retransmission aspects of a TDMA-based MAC protocol in the data recovery process.

Improving fECG signal acquisition in the evaluation of fetal well-being

The ability to monitor fetal heart rate is vital during late pregnancy and labor in order to evaluate fetal well-being. Current monitoring practice is essentially based on external cardiotocography and, less frequently, during labor, invasive fetal scalp electrocardiography. Many current and envisaged applications could benefi t from simpler devices using a 3-lead ECG confi guration. We are designing a maternity support belt with an embedded wireless 3-lead ECG sensor, and have investigated the infl uence of the ground electrode position on signal quality. Data from over 100 pregnant women was collected with the ground electrode placed in 3 locations in order to determine optimum electrode placement and belt form factor.

Piezoresistive sensors for force mapping of hip-prostheses

The success of artificial prosthetic replacements depends on the fixation of the artificial prosthetic component after being implanted in the thighbone. The materials for fixation are subject to mechanical stresses, which originate permanent deformations, incipient cracks and even fatigue fractures. This work shows the possibility of monitoring the mechanical stress over time in prosthesis. In this way, highly sensitive silicon thin-film piezoresistive sensors were developed attached to prosthesis and their results compared with commercial strain gauge sensors. Mechanical stress-strain experiments were performed in compressive mode, during 10,000 cycles. Experimental data was acquired at mechanical vibration frequencies of 0.5 Hz, 1 Hz and 5 Hz, and sent to a computer by means of a wireless link. The results show that there is a decrease in sensitivity of the thin-film silicon piezoresistive sensors when they are attached to the prosthesis, but this decrease does not compromise its monitoring performance. The sensitivity, compared to that of commercial strain gauges, is much larger due to their higher gauge factors (-23.5), when compared to the GFs of commercial sensors (2).

Remote Patient Monitoring Based on ZigBee: Lessons from a Real-World Deployment

AIM: This work presents detailed experimental performance results from tests executed in the hospital environment for Health Monitoring for All (HM4All), a remote vital signs monitoring system based on a ZigBee® (ZigBee Alliance, San Ramon, CA) body sensor network (BSN). MATERIALS AND METHODS: Tests involved the use of six electrocardiogram (ECG) sensors operating in two different modes: the ECG mode involved the transmission of ECG waveform data and heart rate (HR) values to the ZigBee coordinator, whereas the HR mode included only the transmission of HR values. In the absence of hidden nodes, a non-beacon-enabled star network composed of sensing devices working on ECG mode kept the delivery ratio (DR) at 100%. RESULTS: When the network topology was changed to a 2-hop tree, the performance degraded slightly, resulting in an average DR of 98.56%. Although these performance outcomes may seem satisfactory, further investigation demonstrated that individual sensing devices went through transitory periods with low DR. Other tests have shown that ZigBee BSNs are highly susceptible to collisions owing to hidden nodes. Nevertheless, these tests have also shown that these networks can achieve high reliability if the amount of traffic is kept low. Contrary to what is typically shown in scientific articles and in manufacturers' documentation, the test outcomes presented in this article include temporal graphs of the DR achieved by each wireless sensor device. CONCLUSIONS: The test procedure and the approach used to represent its outcomes, which allow the identification of undesirable transitory periods of low reliability due to contention between devices, constitute the main contribution of this work.

Innovation and adoption of mobile technology in public organizations: the IBGE case

The use of Mobile and Wireless Information Technologies (MWIT) for provisioning public services by a government is a relatively recent phenomenon. This paper evaluates the results of MWIT adoption by IBGE (The Brazilian Institute of Geography and Statistics) through a case study. In 2007, IBGE applied 82,000 mobile devices (PDAs) for data gathering in a census operation in Brazil. A set of challenges for a large scale application of MWIT required intensive work involving innovative working practices and service goals. The case reveals a set of outputs of this process, such as time and cost reductions in service provision, improved information quality, staff training and increased organizational effectiveness and agility.

Capacity Enhancement Using MIMO Antenna Arrays in Realistic Macro-Cellular Urban Environment

In MIMO systems the antenna array configuration in the BS and MS has a large influence on the available channel capacity. In this paper, we first introduce a new Frequency Selective (FS) MIMO framework for macro-cells in a realistic urban environment. The MIMO channel is built over a previously developed directional channel model, which considers the terrain and clutter information in the cluster, line-of-sight and link loss calculations. Next, MIMO configuration characteristics are investigated in order to maximize capacity, mainly the number of antennas, inter-antenna spacing and SNR impact. Channel and capacity simulation results are presented for the city of Lisbon, Portugal, using different antenna configurations. Two power allocations schemes are considered, uniform distribution and FS spatial water-filling. The results suggest optimized MIMO configurations, considering the antenna array size limitations, specially at the MS side.

Improving a Cluster Based Directional Channel Model in Realistic Macro-Cell Environment

In this paper a realistic directional channel model that is an extension of the COST 273 channel model is presented. The model uses a cluster of scatterers and visibility region generation based strategy with increased realism, due to the introduction of terrain and clutter information. New approaches for path-loss prediction and line of sight modeling are considered, affecting the cluster path gain model implementation. The new model was implemented using terrain, clutter, street and user mobility information for the city of Lisbon, Portugal. Some of the model's outputs are presented, mainly path loss and small/large-scale fading statistics.

Aumento de capacidade em sistemas MIMO coordenados para advanced LTE com utilização de repetidores fixos

Com vista a revolucionar o sector das comunicações móveis, muito à custa dos elevados débitos prometidos, a tecnologia LTE recorre a uma técnica que se prevê que seja bastante utilizada nas futuras redes de comunicações móveis: Relaying. Juntamente com esta técnica, o LTE recorre à técnica MIMO, para melhorar a qualidade da transmissão em ambientes hostis e oferecer elevados ritmos de transmissão. No planeamento das próximas redes LTE, o recurso à técnica Relaying é frequente. Esta técnica, tem como objectivo aumentar a cobertura e/ou capacidade da rede, e ainda melhorar o seu desempenho em condições de fronteira de célula. A performance de uma RS depende da sua localização, das condições de propagação do canal rádio a que tanto a RS como o EU estão sujeitos, e ainda da capacidade que a RS tem de receber, processar e reencaminhar a informação. O objectivo da tese é estudar a relação existente entre o posicionamento de uma RS e o seu desempenho. Desta forma, pretende-se concluir qual a posição ideal de uma RS (tanto do tipo AF como SDF). Para além deste estudo, é apresentado um comparativo do desempenho dos modos MIMO TD e OL-SM, onde se conclui em que condições deverão ser utilizados, numa rede LTE equipada com FRSs.

Receptor MIMO em FPGA baseado no esquema de Alamouti

A oferta de serviços baseados em comunicações sem fios tem vindo a crescer exponencialmente na última década. Cada vez mais são exigidas maiores taxas de transmissão assim como uma melhor QoS, sem comprometer a potência de transmissão ou argura de banda disponível. A tecnologia MIMO consegue oferecer um aumento da capacidade destes sistemas sem requerer aumento da largura de banda ou da potência transmitida. O trabalho desenvolvido nesta dissertação consistiu no estudo dos sistemas MIMO, caracterizados pela utilização de múltiplas antenas para transmitir e receber a informação. Com um sistema deste tipo consegue-se obter um ganho de diversidade espacial utilizando códigos espaço-temporais, que exploram simultaneamente o domínio espacial e o domínio do tempo. Nesta dissertação é dado especial ênfase à codificação por blocos no espaço-tempo de Alamouti, a qual será implementada em FPGA, nomeadamente a parte de recepção. Esta implementação é efectuada para uma configuração de antenas 2x1, utilizando vírgula flutuante e para três tipos de modulação: BPSK, QPSK e 16-QAM. Por fim será analisada a relação entre a precisão alcançada na representação numérica dos resultados e os recursos consumidos pela FPGA. Com a arquitectura adoptada conseguem se obter taxas de transferência na ordem dos 29,141 Msimb/s (sem pipelines) a 262,674 Msimb/s (com pipelines), para a modulação BPSK.

Distribuição de vídeo sobre uma rede IEEE 802.11n

A recente norma IEEE 802.11n oferece um elevado débito em redes locais sem fios sendo por isso esperado uma adopção massiva desta tecnologia substituindo progressivamente as redes 802.11b/g. Devido à sua elevada capacidade esta recente geração de redes sem fios 802.11n permite um crescimento acentuado de serviços audiovisuais. Neste contexto esta dissertação procura estudar a rede 802.11n, caracterizando o desempenho e a qualidade associada a um serviço de transmissão de vídeo, recorrendo para o efeito a uma arquitectura de simulação da rede 802.11n. Desta forma é caracterizado o impacto das novas funcionalidades da camada MAC introduzidas na norma 801.11n, como é o caso da agregação A-MSDU e A-MPDU, bem como o impacto das novas funcionalidades da camada física como é o caso do MIMO; em ambos os casos uma optimização da parametrização é realizada. Também se verifica que as principais técnicas de codificação de vídeo H.264/AVC para optimizar o processo de distribuição de vídeo, permitem optimizar o desempenho global do sistema de transmissão. Aliando a optimização e parametrização da camada MAC, da camada física, e do processo de codificação, é possível propor um conjunto de configurações que permitem obter o melhor desempenho na qualidade de serviço da transmissão de conteúdos de vídeo numa rede 802.11n. A arquitectura de simulação construída nesta dissertação é especificamente adaptada para suportar as técnicas de agregação da camada MAC, bem como para suportar o encapsulamento em protocolos de rede que permitem a transmissão dos pacotes de vídeo RTP, codificados em H.264/AVC.

Sistema de contagem de tráfego e classificação automática de veículos, em tempo real e sem fios

Esta tese tem por objectivo o desenho e avaliação de um sistema de contagem e classificação de veículos automóveis em tempo-real e sem fios. Pretende, também, ser uma alternativa aos actuais equipamentos, muito intrusivos nas vias rodoviárias. Esta tese inclui um estudo sobre as comunicações sem fios adequadas a uma rede de equipamentos sensores rodoviários, um estudo sobre a utilização do campo magnético como meio físico de detecção e contagem de veículos e um estudo sobre a autonomia energética dos equipamentos inseridos na via, com recurso, entre outros, à energia solar. O projecto realizado no âmbito desta tese incorpora, entre outros, a digitalização em tempo real da assinatura magnética deixada pela passagem de um veículo, no campo magnético da Terra, o respectivo envio para servidor via rádio e WAN, Wide Area Network, e o desenvolvimento de software tendo por base a pilha de protocolos ZigBee. Foram desenvolvidas aplicações para o equipamento sensor, para o coordenador, para o painel de controlo e para a biblioteca de Interface de um futuro servidor aplicacional. O software desenvolvido para o equipamento sensor incorpora ciclos de detecção e digitalização, com pausas de adormecimento de baixo consumo, e a activação das comunicações rádio durante a fase de envio, assegurando assim uma estratégia de poupança energética. Os resultados obtidos confirmam a viabilidade desta tecnologia para a detecção e contagem de veículos, assim como para a captura de assinatura usando magnetoresistências. Permitiram ainda verificar o alcance das comunicações sem fios com equipamento sensor embebido no asfalto e confirmar o modelo de cálculo da superfície do painel solar bem como o modelo de consumo energético do equipamento sensor.

Planeamento e optimização em redes celulares móveis auto-geridas assentes em LTE

O objectivo deste trabalho consiste em avaliar os benefícios das Self Organizing Networks (SON), no que concerne ao planeamento e optimização de redes Long Term Evolution (LTE), não só através do seu estudo, como também através do desenvolvimento e teste de algoritmos, que permitem avaliar o funcionamento de algumas das suas principais funções. O estudo efectuado sobre as SON permitiu identificar um conjunto de funções, tais como a atribuição automática de Physical Cell Id (PCI), o Automatic Neighbour Relation (ANR) e a optimização automática de parâmetros de handover, que permitem facilitar ou mesmo substituir algumas das tarefas mais comuns em planeamento e optimização de redes móveis celulares, em particular, redes LTE. Recorrendo a um simulador LTE destinado à investigação académica, em código aberto e desenvolvido em Matlab®, foi desenvolvido um conjunto de algoritmos que permitiram a implementação das funções em questão. Para além das funções implementadas, foram também introduzidas alterações que conferem a este simulador a capacidade de representar e simular redes reais, permitindo uma análise mais coerente dos algoritmos desenvolvidos. Os resultados obtidos, para além de evidenciarem claramente o benefício dos algoritmos desenvolvidos, foram ainda comparados com os obtidos pela ferramenta profissional de planeamento e optimização Atoll®, tendo-se verificado a franca proximidade de desempenho em algumas das funções. Finalmente, foi desenvolvida uma interface gráfica que permite o desenho, configuração e simulação de cenários, bem como a análise de resultados.