CTU - CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO

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Análise, modelagem e implementação de um sistema de comunicação via rede elétrica para domótica
Mathias, Luis Carlos; Melo, Leonimer Flávio de [Orientador]; Abrão, Taufik; Angélico, Bruno Augusto; Dias Neto, Fernando Ciriaco; Abrão, Taufik [Coorientador]
Resumo: Os sistemas domoticos ainda sao pouco explorados no Brasil Impedimentos para a sua popularizacao devem-se ao alto custo da tecnologia e o nao estabelecimento de um padrao nacional Neste contexto, a tecnologia de comunicacao por meio de cabos da propria instalacao eletrica (PLC – Power Line Communication) pode contribuir para uma solucao mais eficiente e economica, por nao exigir antenas ou cabeamento adicional, bem como ter disponivel para uso uma elevada largura de banda de frequencias Entretanto, ainda nao e encontrado na literatura a caracterizacao do canal com parametros de modelo tipicos brasileiros Deste modo, por meio de medicoes no canal PLC sob circunstancias gerais das instalacoes eletricas residenciais brasileiras, o presente trabalho sugere uma metodologia de extracao de parametros e os aplica em tres modelos de resposta do canal PLC discutidos na revisao de literatura Como resultado, o modelo por Matriz de Transferencia ABCD e o que se apresentou mais eficiente e flexivel a incorporacao de alteracoes no percurso Ja a medicao, caracterizacao e simulacao dos diferentes tipos de ruido deste canal corroboram a possibilidade de implementacao de um emulador regido por parametros deterministicos e estocasticos por meio de cadeias de Markov Por fim, e demonstrado que tanto por simulacao como por implementacao em circuito, a demodulacao FSK nao coerente atendendo as especificidades da camada fisica do protocolo KNX PL-132, que diferentemente de outros sistemas domoticos tambem analisados, utiliza-se de apenas um chip microcontrolador de 8 bits e demais componentes discretos Os resultados das simulacoes demonstraram admissivel degradacao de desempenho do sistema implementado quando comparado a um detector otimo
Aplicação da ferramenta TRANSYT na otimização e implantação de corredores exclusivos para ônibus na cidade de Londrina
Godoy, Wagner Fontes; Cervantes, Silvia Galvão de Souza [Orientador]; Abrão, Taufik; Silva, Paulo Cesar Marques da
Resumo: Este trabalho apresenta uma aplicacão da ferramenta TRANSYT/1, na avaliacão do desempenho operacional do controle semafórico em três dos principais corredores arteriais da malha viária central da cidade de Londrina A motivacão deste estudo é a recorrência de congestionamento em alguns corredores desta malha viária Também o período de transicão na criacão de corredores exclusivos para ônibus Esta alteracão implica no aumento da capacidade das vias, com a retirada das faixas de estacionamento O software TRANSYT/1 é uma ferramenta amplamente utilizada em diversos países no gerenciamento de tráfego urbano No contexto de planejamento e gerenciamento desta malha, o controle otimizado dos semáforos, ainda inexistente, possibilita a minimização do atraso e número de paradas A avaliação de diferentes cenários, com e sem faixas exclusivas, diferentes tamanhos de ciclo e otimização do tempo de verde e defasagem confirmam que é possível melhorar as condições de tráfego para ambos os usuários de transporte coletivo e automóveis
Criptografia com Caos aplicando o sistema de Chua
Oliveira, Cleber Henrique de; Pizolato Junior, José Carlos [Orientador]; Abrão, Taufik; Proença Junior, Mario Lemes
Resumo: Nos dias atuais, a necessidade de se proteger uma informação a ser armazenada ou transmitida, contra ataques de usuários que não são os verdadeiros destinatários do conteúdo ali existente, ou de pessoas cujo acesso a ela não está autorizado, prende a atenção de um número cada vez maior de pesquisadores envolvidos na área de segurança Por esse motivo, nas últimas duas décadas, sistemas caóticos estão sendo aplicados na área de segurança da informação O ponto que chama a atenção nesses sistemas, é devido ao comportamento complexo obtido, o que os torna atrativos para aplicações criptográficas Nesse trabalho, o comportamento gerado pelo sistema caótico de Chua é usado para cifragem de informações, a fim de se chegar a um algoritmo de criptografia seguro Para fins de explanação, tal algoritmo será referido, no trabalho, como “cifrador proposto” Assim, uma chave criptográfica é usada na cifragem de cada componente da informação original Uma característica importante deste cifrador corresponde à utilização de cada chave criptográfica apenas uma vez O desempenho do cifrador proposto é analisado ao ser aplicado sobre informações do tipo “texto, imagem, áudio e vídeo” Para verificação da robustez do cifrador foram realizados os seguintes testes: aplicações de funções hash, aplicação da técnica de análise de freqüência, utilização da entropia de Shannon e análise da sensibilidade do cifrador proposto para alterações das condições iniciais do sistema caótico de Chua Os desempenhos do cifrador proposto e XTEA, um algoritmo comercialmente utilizado, são comparados e analisados Os resultados obtidos nesta investigação demonstram que o cifrador proposto é funcional Desta forma, tal cifrador poderia ser aplicado na criptografia da informação para sistemas de segurança
Desempenho e otimização de sistemas de comunicação sem-fio MIMO com elevado número de antenas
(2014-11-19) Marinello Filho, José Carlos; Abrão, Taufik; Panazio, Cristiano Magalhães; Angélico, Bruno Augusto
Neste trabalho, diferentes aspectos de sistemas de comunicação sem-_o empregando múltiplas antenas transmissoras e receptoras (multiple-input-multiple-output) (MIMO) são abordados, privilegiando a análise dos sistemas com elevada dimensionalidade, de forma a avaliar cenários onde características MIMO desejáveis possam ser exploradas. Assim, na primeira parte deste trabalho, um esquema de detecção aplicado ao uplink de tais sistemas é proposto, o qual combina as técnicas de redução treliça (lattice reduction) (LR) e otimização por colônia de formigas (ant colony optimization) (ACO), sendo o seu desempenho avaliado para elevadas dimensões do sistema (até 20_20, 4-QAM) e canais espacialmente correlacionados, apresentando um bom compromisso desempenho X complexidade. Na segunda parte do trabalho, o foco passa a ser a otimização do downlink de sistemas MIMO: uma formulação convexa para o problema da transmissão multiusuário (multiuser transmission) (MuT) visando a minimização da taxa de erro de bit (MinBER) é desenvolvida, a partir da qual diversos métodos de otimização determinísticos e heurísticos são aplicados. Ao final da análise desenvolvida, conclui-se que a técnica proposta busca em linha quase-Newton - função penalidade (line search quasi- Newton - penalty function) (LSQN-PF) apresentou o melhor compromisso desempenho X complexidade para elevadas dimensões de sistema. Na terceira parte do trabalho, analisa-se sistemas multi-celulares não cooperativos baseados em duplexagem por divisão de tempo (time division duplex ) (TDD), em que uma enorme quantidade de antenas é empregada na estação rádio-base (base station) (BS), sendo a informação de estado do canal (channel state information) (CSI) estimada por meio da transmissão de sequências piloto no uplink. Nesse cenário, caracterizase o desempenho sob a métrica da taxa de erro de bit (bit-error-rate) (BER) para a condição limite do número de antenas na BS tendendo a infinito, derivando-se expressões e comprovando sua validade por meio de simulações computacionais. Então, com base na expressão derivada e em outras presentes na literatura, uma metodologia de otimização do sistema é proposta, a qual consiste em distribuir as sequências de treinamento entre os usuários da célula de forma eficiente.
Eficiência de recursos sob equidade de taxa em sistemas NOMA, MIMO-NOMA e LSA-MIMO PDMA
(2022-12-29) Jacob, Jaime Laelson; Abrão, Taufik; Vieira, Flávio Henrique Teles; Lima, Francisco Rafael Marques; Marinello Filho, José Carlos; Osorio, Diana Pamela Moya
Analisa-se neste trabalho o compromisso entre a eficiência energética (EE - Energy Efficiency) e eficiência espectral (SE - Spectral Efficiency) de múltiplo acesso não ortogonal (NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access), sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO - Multiple Input Multiple Output) combinados aos esquemas NOMA e MIMO-NOMA, bem como ao esquema de acesso múltiplo por divisão de padrões (PDMA - Pattern Division Multiple Acces) e ao MIMO massivo (mMIMO - Massive MIMO) em enlaces de descida (DL - Downlink) sob a restrição de equidade de taxa. Este compromisso entre EE e SE, denominado eficiência de recursos (RE - Resource Efficiency) é analisado para diferentes números de usuários por célula no NOMA. Obtêm-se o número de usuários por cluster na configuração MIMO-NOMA que resulta na máxima EE a partir da equidade de máxima taxa. Combinamos também o sistema mMIMO ao PDMA para oferecer suporte eficiente aos serviços de banda larga móvel avançada (eMBB - Enhanced Mobile Broadband), Comunicação Massiva do Tipo Máquina (mMTC - Massive Machine Type Communication). e Comunicações Ultra-Confiáveis e de Baixa Latência (uRLLC - Ultra-Reliable and Low Latency Communications) em sistemas da quinta geração (5G - Fifth Generation) e além da 5G (B5G - Beyond 5G); seleciona-se matrizes padrão que melhor atendem os requisitos heterogêneos desses serviços. A primeira parte desse trabalho trata da otimização da proporção de potência alocada para cada usuário nos sistemas NOMA. Na segunda parte, investigamos o compromisso EE-SE em sistemas MIMO-NOMA, considerando o DL, sob a restrição de mesma taxa entre os usuários. Essa restrição visa garantir a máxima equidade de taxa para todos os usuários ativos no sistema. Na terceira parte, o compromisso SE-EE foi formulado como um problema de otimização multi-objetivo (MOO - Multi-Objective Optimization) para o sistema MIMO-NOMA mantendo-se as restrições definidas anteriormente. O problema de otimização foi resolvido primordialmente adotando-se o método de escalarização ( ?- C – ?-Constraint) combinado a técnicas de programação não linear (NLP - Nonlinear Programming), particularmente a programação quadrática sequencial (SQP- Sequential Quadratic Programming) e o método de Dinkelback (DK). Finalmente, foram analisadas e comparadas várias matrizes PDMA disponíveis na literatura com características favoráveis ao atendimento dos requisitos impostos pelos diferentes serviços 5G, com uso da EE e outras métricas para a seleção da matriz padrão que melhor atende aos quesitos conflitantes em sistemas mMIMO PDMA. Resultados numéricos revelam que é possível identificar a melhor matriz padrão do sistema mMIMO PDMA que atenda requisitos conflitantes de cada um dos modos de uso 5G separadamente ou simultaneamente. No sistema NOMA, pode-se encontrar o ponto de equilíbrio entre EE e a soma de taxas para cada cenário do sistema, bem como o melhor ponto de operação de RE. Mostra-se ainda que o número total de usuários atinge a máxima EE em cada configuração cluster-usuários analisada. Resultados para a relação EE-SE no sistema MIMO-NOMA demonstraram a habilidade do método ?-C em encontrar diversidade de soluções na fronteira de Pareto
Método de auto-calibração para tríades de sensores utilizados em aplicações de estimação de atitude
Tormena Junior, Osmar; Tosin, Marcelo Carvalho [Orientador]; Abrão, Taufik; Lopes, Roberto
Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento e simulação computacional de uma metodologia para autocalibração de sensores triaxiais em aplicações de atitude, especificamente acelerômetros e magnetômetros MEMS A metodologia consiste de um processo em dois passos, onde primeiramente são estimadas linearmente variáveis intermediarias, sendo que a partir destas são resolvidos algebricamente os parâmetros de calibração O procedimento de autocalibração foi desenvolvido para corrigir desvios nos valores de sensibilidade, bias e erros de ortogonalidade da trade sensora E mostrado que os valores reais dos parâmetros do modelo do sensor podem ser bastante diferentes dos valores nominais, e que a utilização de parâmetros calibrados produz resultados mais precisos Ainda mais importante e a melhoria na precisão e acuracia na determinação da direção da grandeza física de referência observada, pois este erro se propaga para a informação de atitude independentemente do algoritmo de atitude utilizado Por e exposta uma interessante relação entre o erro na direção observada da grandeza física de referência, o nível de ruído intrínseco do sensor e o nível de independência linear entre as amostras utilizadas na autocalibração Esta relação pode ser utilizada para prever o desempenho de sistemas de atitude autocalibrados, consistindo então de uma poderosa ferramenta de desenvolvimento
Metodologias para a coordenação de relés de sobrecorrente utilizando técnicas de otimização matemática
Kida, Alexandre Akira; Gallego Pareja, Luis Alfonso [Orientador]; Feltrin, Antônio Padilha; Abrão, Taufik
Resumo: Em sistemas de energia elétrica, a coordenação e seletividade dos dispositivos destinados às suas proteções são fundamentais para uma operação segura e melhoria dos indicadores de continuidade e con?abilidade Os principais dispositivos de proteção são os relés de proteção, disjuntores, chaves fusíveis e religadores automáticos O objetivo deste trabalho consiste em implementar e avaliar diferentes metodologias para solucionar o problema da coordenação de relés de sobrecorrente (RSs) de tempo inverso, em sistemas de distribuição e transmissão de energia elétrica O problema consiste em encontrar os ajustes dos RSs de forma a minimizar seus tempos de atuação, sem comprometer a seletividade, con?abilidade e a sensibilidade Primeiramente, é empregada a técnica de Programação Linear (PL) como método de solução do problema da coordenação Para sistemas de distribuição radiais, nos quais são utilizados os RSs não direcionais, são implementadas outras três metodologias: Programação Linear Inteira Mista (PLIM), Algoritmo de Busca por Enumeração (ABE) e Algoritmo Genético de Chu-Beasley (AGCB) - ABE (AGCB-ABE) As duas primeiras tratam o problema de forma linear, onde apenas os ajustes de tempo (Dials) são variáveis de decisão O AGCBABE trata o problema de forma não linear, onde são considerados os ajustes de plug (PSs), Dials, tipos de curvas e tipos de relés como variáveis de decisão As três metodologias possuem a capacidade de lidar com os ajustes discretos de Dial Para solucionar o problema da coordenação de RSs direcionais em sistemas de transmissão, são implementadas três metodologias híbridas: AGCB-PL, AGCB - Programação Linear Inteira (AGCB - PLI) e Busca Local - PL (BL-PL) O AGCB-PL e o AGCB-PLI consideram os PSs, Dials, tipos de curvas e tipos de relés como variáveis de decisão Entretanto, a BL-PL trata apenas os PSs e os Dials como variáveis de decisão Dentre as três técnicas, apenas o AGCB-PLI lida com Dials discretos As metodologias implementadas são validadas em dois sistemas radiais de distribuição e cinco de transmissão (3, 6, 8, 9 e 15 barras) Os resultados apresentados mostram que as metodologias implementadas são e?cazes para solucionar o problema da coordenação
Physical layer optimization, multiple access, and energy efficiency in extra-large scale massive MIMO and wireless networks aided by reconfigurable intelligent surfaces
(2024-03-01) Souza, João Henrique Inácio de; Abrão, Taufik; Klautau Júnior, Aldebaro Barreto da Rocha; Sadok, Djamel Fawzi Hadj; Rebelatto, João Luiz; Souza, Richard Demo; Marinello Filho, José Carlos
The mobile networks beyond the fifth generation (B5G) must be designed to supply an increasing demand for connectivity, coming not only from established applications but also from emerging ones that surge with progressively ambitious communication requirements. To that end, physical layer technologies such as extra-large scale massive multiple-input multiple-output (XL-MIMO) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been considered for integrating the specifications of the next-generation networks aiming to boost the key performance indicators (KPIs). XL-MIMO encompasses communication systems where the base station is equipped with a physically large antenna array, with hundreds to thousands of half-wavelength-spaced antennas. Seen as an evolution of massive MIMO, in XL-MIMO systems, the array provides extra spatial degrees of freedom (DoFs) that can be explored to spatially multiplex many users with high data rates. Furthermore, an RIS is a thin sheet of composite material equipped with electronic circuits that can be programmed to change the characteristics of the incoming electromagnetic field. It can be used to coherently reflect radio signals, enhancing the wireless channel in arbitrary spots of the service area, relying on low-cost and energy-efficient hardware. To unlock the potential of XL-MIMO and RIS, it is necessary to solve open research questions concerning channel modeling, system design, and optimization strategies. Addressing the challenges faced in the development of these technologies, this thesis investigates the applicability of XL-MIMO and RIS to leverage the communication KPIs in the B5G networks. Based on the B5G usage scenarios, it focuses on four objectives: 1) providing high data rates and supporting high connection density for gigabit per second communication; 2) enabling energy-efficient wireless communication for the Internet of Things (IoT); 3) providing reliable and low-latency communication for mission-critical applications; and 4) investigating the potential of RISs to program aspects of the wireless channel. Regarding XL-MIMO, to support multi-user communication in crowded environments, a strategy for system optimization is proposed to efficiently explore all the DoFs provided by the high-aperture array. Furthermore, concerning RIS, the energy efficiency of RIS-aided IoT networks is analyzed, producing relevant insights for system design aiming to extend the devices’ battery lifetime and enhance the network coverage. Moreover, a multiple access scheme to multiplex hybrid traffic is proposed, using the RIS to support the coexistence through network resource sharing of mission-critical services along with broadband communication services. Finally, tackling the integration of the RIS controllability and exploring its capability of shaping the wireless channel, a method is proposed to control the channel temporal statistics by using an RIS with time-varying stochastic configurations. In short, this thesis presents methods, procedures, and algorithms to implement XL-MIMO systems and RISs in the B5G networks, accompanied by comprehensive evaluations of the system trade-offs in terms of relevant KPIs, including spectral efficiency, energy efficiency, outage probability, and latency.
Reconfigurable intelligent surfaces driven B5G networks: an analytical performance perspective
(2023-07-30) Souza Junior, Wilson de; Abrão, Taufik; Amiri, Abolfazl; Jacob, Jaime Laelson
Comunicação Massiva do Tipo Máquina (mMTC), Banda Larga Móvel Aprimorada (eMBB) e Comunicação de Baixa Latência e Ultra Confiabilidade (URLLC) desempenharão uma função muito importante nas redes de comunicação atuais Além da Quinta Geração (B5G) do que nas redes de comunicação de Quinta Geração (5G), cujo objetivo é operar em cenários futuros como casas inteligentes, fábricas inteligentes, transporte e dirigibilidade inteligentes, bem como dar suporte à comunicação ubíqua em todos outros ambientes práticos previstos para estarem inclusos, na então denominada, Indústria 4.0. Evidentemente, a demanda por taxas de dados nestes cenários serão fortemente aumentadas devido aos inúmeros serviços a serem ofertados. Ademais, o número de dispositivos conectados tem crescido exponencialmente, uma vez que a Internet das Coisas (IoT) será essencial para se atingir o futuro projetado. Para atender todos estes cenários com serviços de alta qualidade, novas tecnologias serão necessárias, uma vez que as tecnologias existentes não serão eficientes em atender simultaneamente todas as demandas dessas redes de comunicação. Além disso, uma vez que os recursos de rádios são escassos, é desafiador desenvolver novos métodos para fornecer qualidade de serviço aceitável aos usuários enquanto simultaneamente deve-se atender aos requisitos necessários para uma comunicação sustentável. Considerando os desafios mencionados anteriormente, nesta Qualificação de Mestrado nós discutimos o impacto de se aplicar uma nova tecnologia promissora em sistemas de comunicação denominada Superfície Inteligente Reconfigurável (RIS) através da sua forma convencional, bem como sua derivação avançada denominada RIS de Transmissão e Reflexão Simultânea (STAR-RIS), tendo em vista obter uma compreensão abrangente de como a RIS pode impactar métricas de desempenho importantes, nas atuais redes de comunicação, como confiabilidade, taxa de dados e eficiência energética. Associada à tecnologia habilitadora RIS, também integramos ao esquema de transmissão as estruturas de Múltiplas-Entradas Múltiplas-Saidas massiva (mMIMO) e o esquema de Múltiplo Acesso não-Ortogonal (NOMA) com intuito de caracterizar o potencial operacional destas tecnologias em conjunto com a RIS. Além disso, neste trabalho, nós focamos na comunicação sustentável através dos estudos em comunicação cooperativa com ajuda de Transmissão Simultânea de Energia e Informação (SWIPT), bem como desenvolvemos uma análise sobre seleção do número de antenas na estacão rádio-base e seleção do número de elementos da RIS visando incrementar a Eficiência Energética (EE) e Eficiência Espectral (SE) enquanto mantém altos índices de confiabilidade de comunicação. Por fim, neste trabalho, predominantemente, utilizamos uma extensa abordagem analítica para a descrição de cada problema e respectiva solução proposta buscando entender sistematicamente o impacto de cada parâmetro no desempenho do sistema como um todo, incluindo probabilidade de outage, EE, SE, confiabilidade, bem como reduzir a complexidade dos sistemas de transmissão, propondo algoritmos quase-ótimos eficientes, tendo em vista adequar suas operações aos problemas práticos no mundo real.
Vibrógrafo autônomo para aquisição remota de dados de vibrações eólicas de linhas de transmissão elétricas suspensas
Schimith, Silas Barroso; França, José Alexandre de [Orientador]; Abrão, Taufik; Catunda, Sebastian Yuri Cavalcanti; Silva, Newton
Resumo: Projeto e implementação de um Vibrógrafo para monitorar vibrações com a finalidade de obter o impacto incremental da fadiga causada por vibrações eólicas em linhas de transmissão elétrica suspensas sobre a degradação do tempo de vida útil de um cabo O equipamento consiste em um detector de vibrações que coleta os dados conforme a padronização de medições de vibração de condutores estabelecida pela norma “Standardization of Conductor Vibration Measurements” (IEEE, 1966), utilizando extensômetro como sensor de vibrações para coleta da amplitude máxima de pico a pico das oscilações e da freqüência de vibração em um intervalo de um segundo A alimentação do conjunto provém de uma bateria interna que é recarregada por um painel solar fotovoltaico As tabelas dos dados coletados são transmitidas diariamente através de modem GPRS para uma central de processamento remoto

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