01 - Doutorado - Engenharia Elétrica
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Item Localização, pré-distorção, pré-equalização e mitigação do crosstalk em sistemas VLC-OFDMMathias, Luis Carlos; Abrão, Taufik [Orientador]; Laureto, Edson; Casella, Ivan Roberto Santana; Marinello Filho, José Carlos; Scalassara, Paulo RogérioResumo: A multiplexação por divisão de frequências ortogonais (OFDM) tem sido amplamente aplicada em sistemas de comunicação por luz (VLC) devido às características de eficiência espectral e de combate à interferência intersimbólica e à seletividade do canal Neste paradigma, a primeira parte desta tese aborda de forma original a integração da funcionalidade da localização indoor de um receptor móvel ao sistema OFDM-VLC Para isto, utiliza o esquema OFDM com óptica espacial, possibilitando a discriminação dos sinais ópticos capturados no receptor que foram transmitidos pelos diversos diodos emissores de luz (LEDs) a partir da infraestrutura de iluminação Foram analisados via simulação numérica e de forma extensiva o estimador por ângulo de chegada (AoA), o estimador por intensidade do sinal recebido (RSS) e algumas de suas variações Utilizando o resultado da estimação por AoA ponderado como ponto inicial de busca do estimador por RSS, foi possível o aumento da probabilidade de convergência, redução da raiz quadrada do erro quadrático médio (RMSE) e número de iterações Também é avaliada a complexidade computacional dos estimadores analisados Um melhor fator de clipping é obtido através da análise da precisão do localizador e da capacidade de transmissão de dados Por fim, os resultados numéricos demonstraram eficácia, robustez e eficiência da arquitetura proposta A segunda parte desta tese propõe uma arquitetura original com um esquema de pré-distorção digital para a correção da não linearidade do LED, acrescido de um esquema de pré-equalização para a mitigação do efeito de seletividade em frequência do conjunto transmissor LED mais fotorreceptor Os dois esquemas apresentados utilizam de uma mesma realimentação luminosa que é realizada por um dispositivo receptor auxiliar acoplado à luminária Deste modo, todo o processamento do sinal envolvido é realizado no transmissor não exigindo overhead Mediante o desenvolvimento de um arranjo experimental automatizado, confirmou-se o efeito da não linearidade do LED em função da temperatura, corroborando a pertinência e eficácia da proposta Por fim, ao permitir a linearização do sinal de luz transmitido e a manutenção de uma relação sinal-ruído média em nas subportadoras OFDM, a melhoria de desempenho da taxa de erro de bit (BER) é confirmada, tanto numericamente, como pelo arranjo experimental dedicado desenvolvido A terceira parte desta tese propõe um esquema de mitigação do efeito crosstalk gerado pela sobreposição espectral de canais VLC obtidos por multiplexação por comprimento de onda (WDM) O crosstalk degrada a performance do sistema WDM devido os canais adjacentes gerarem interferência no canal de interesse O sistema WDM constituído por uma tríade de LEDs transmissores de cores vermelho-verde-azul e seus respectivos filtros de cores no receptor VLC é modelado, sendo os seus parâmetros estimados pelo sistema proposto, permitindo a mitigação deste efeito mediante a aplicação de um equalizador por forçagem a zero Tais parâmetros também foram estimados mediante medições do comportamento espectral de emissão dos LEDs e dos filtros ópticos utilizados Ademais, o sistema foi simulado numericamente demonstrando efetividade mediante avaliações da BER, sob diferentes ordens de modulação M-QAM nas subportadoras OFDMItem Prototype filter design for FBMC systems via convex optimizationKobayashi, Ricardo Tadashi; Abrão, Taufik [Orientador]; Panazio, Cristiano Magalhães; Marinello, José Carlos; Scalassara, Paulo Rogério; Nascimento, Vitor HeloizResumo: Nos últimos anos, sistemas 5G se tornaram um dos principais tópicos de discussão em telecomunicações Como a Quinta Geração de Telefonia Móvel prevê o suporte de uma nova gama de serviços com requisitos exigentes, espera-se uma mudança de paradigma na atual tecnologia de telecomunicações Como exemplo, o acesso ao meio realizado através de formas de onda diferentes da Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais (OFDM) é factível e possui diversas vantagens Em particular, a multiplexação via Banco de Filtros Multiportadora (FBMC) é uma forma de onda não ortogonal promissora dado seu alto desempenho espectral, resiliência a dispersões no tempo e frequência, e não dependência de prefixos cíclicos Desta forma, este trabalho estuda a multiplexação FBMC como tecnologia candidata a sistemas 5G, provendo uma rica discussão sobre banco de filtros e novos projetos de filtros protótipos para tal esquema de multiplexação Logo, este trabalho concentra-se no desenvolvimento de filtros protótipo com o auxílio da Programação SemiDefinida (SDP) e Programação Quadrática com Restrições Quadráticas (QCQP) Inicialmente, este trabalho propõe filtros de baixo comprimento e características de reconstrução quase perfeitas Além disso, três filtros protótipos com baixa emissão de energia fora de banda e rápido decaimento espectral são propostos para melhorar o desempenho global de sistemas FBMC Finalmente, são estudados os efeitos do filtro protótipo na reconstrução de símbolos em sistemas FBMC Desta forma, esta tese oferece um panorama sólido sobre sistemas FBMC, contribuindo para o desenvolvimento desta tecnologia e sua aplicação em sistemas de telecomunicações emergentesItem Fault detection, reliability, efficiency and random access in smart grid systemsLabrador Rivas, Angel Esteban; Abrão, Taufik [Orientador]; Rocha, Helder Roberto de Oliveira; Marinello, José Carlos; Panazio, Cristiano Magalhães; Santo, Silvio Giuseppe DiResumo: Smart Grid (SG) é um conceito multidisciplinar que implica informação em tempo real com requisitos específicos de comunicação A confiabilidade do sistema depende das melhores capacidades de monitoramento e controle da rede, e nesse quesito as tecnologias de comunicação são fundamentais Considerando a detecção e classificação de falhas um fator crucial para a confiabilidade do SG, a primeira parte deste trabalho apresenta uma revisão sistemática sobre a infraestrutura de detecção e classificação de falhas em SG, incluindo suporte à comunicação SG, bem como a classificação dos trabalhos relevantes de última geração encontrados nos bancos de dados de pesquisa mais significativos Assim, foi proposta uma técnica adaptativa para o monitoramento confiável de distorções harmônicas na rede elétrica Conclusivamente, uma análise de compensação de complexidade de desempenho demonstrou as (des)vantagens de cada método de filtragem A segunda parte desta tese destaca a importância dos protocolos de acesso aleatório (RA) existentes e futuros para dispositivos de comunicação massiva de micro Smart Grid (m-SGC) e desempenho do sistema Propõe-se um novo e aprimorado protocolo RA ALOHA (RapIRSA) com repetição irregular aprimorado para responder melhor aos requisitos críticos de QoS de alta confiabilidade sob uma perspectiva de comunicações 5G, abordando possíveis desafios na implementação do protocolo RA proposto Ainda sob a perspectiva da comunicação, investiga-se o problema da pré-codificação distribuída para a maximização da eficiência energética (EE) em uma rede MIMO uplink (UL) multiusuário auxiliada por superfícies refletoras inteligentes (RIS) assumindo estações radio-base (BS) com múltiplas antenas e terminais de usuário (UTs) também com múltiplas antena Implementamos uma técnica de otimização baseada em Manifold Particle swarm optimization PSO para resolver a maximização de EE não-convexa Mostra-se que a estrutura proposta aumenta significativamente os valores de EE do sistema em comparação com esquemas de pré-codificação não otimizados, pré-definidos Por fim, apresenta-se as conclusões e trabalhos futuros prospectivosItem Desenvolvimento e teste de um fotômetro para quantificação simultânea de etanol e metanol em gasolinas utilizando comprimentos de onda discretos no infravermelho próximoMoreira, Maurício; França, José Alexandre de [Orientador]; Raimundo Junior, Ivo Milton; Vasconcelos, Flávio Henrique; Granziera Junior, Francisco; França, Maria Bernadete de MoraisResumo: A concentração de um constituinte em uma mistura pode ser determinada medindo-se parâmetros ópticos a partir de uma amostra, em diferentes comprimentos de onda Em seguida, um modelo matemático multivariado pode ser utilizado para relacionar a concentração de interesse com os dados ópticos medidos Normalmente, equipamentos caros e com sistemas ópticos complexos são requeridos para medir os dados ópticos com elevada resolução espectral e em uma faixa ampla do espectro Por outro lado, quanto menor o número de variáveis espectrais necessários para compor um modelo satisfatório, mais simples e barato se torna o sistema optoeletrônico do instrumento Este trabalho apresenta o projeto, desenvolvimento e teste de um fotômetro baseado em LEDs e em filtros ópticos de interferência para quantificar, simultaneamente, as concentrações de etanol e metanol em gasolinas comerciais, em misturas ternárias, por meio de comprimentos de onda discretos no infravermelho próximo Realiza-se uma análise crítica de diferentes abordagens identificadas na literatura para calcular as variáveis preditoras do modelo a partir da medição e do processamento das informações ópticas Devido às semelhanças físico-químicas entre o metanol e o etanol, os espectros de absorbâncias dos dois álcoois são muito semelhantes, o que dificulta a sua diferenciação Também, a composição da gasolina possui uma variabilidade natural, o que corresponde a uma fonte de variância nos sinais analíticos que não está associada à mudança nas concentrações de interesse Por isso, para que os modelos matemáticos de medição sejam viáveis na prática, realizou-se um estudo espectral para determinar os comprimentos de onda mais adequados para compor os modelos, considerando a variabilidade natural da gasolina Para avaliar as performances de predição dos modelos, desenvolveu-se um método de validação independente que emprega um grupo de amostras derivadas do conjunto de calibração e outro grupo de amostras com matrizes independentes do grupo de calibração, a fim de se obter uma estimativa da real capacidade preditiva futura do instrumento O instrumento construído é composto por seis LEDs infravermelhos e oito filtros ópticos de interferência Resultados experimentais mostraram que os modelos desenvolvidos por Regressão Linear Múltipla (MLR) com sete variáveis espectrais permitem quantificar as concentrações dos álcoois com incertezas menores do que 3 % do volumeItem Sistema de detecção de anomalias para redes SDN utilizando deep learning e teoria de jogosAssis, Marcos Vinicius Oliveira de; Proença Junior, Mário Lemes [Orientador]; Manhas Junior, Elieser Botelho; Lima, José Valdeni de; Amaral, Alexandre de Aguiar; Marinello Filho, José CarlosResumo: O tráfego de redes de computadores tem aumentado consideravelmente nos últimos anos devido às constantes inovações em tecnologias de comunicação Além disso, dispositivos conectados que rodam soluções programadas, baseados em novos paradigmas, tal como Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), incorporam características específicas a este tráfego devido à heterogeneidade dos requisitos de cada aplicação Assim, o gerenciamento e segurança de toda essa complexa infraestrutura, principalmente das redes de computadores, é essencial Um emergente modelo de arquitetura de redes, conhecido como Redes Definidas por Software (SDN, do inglês Software Defined Networking), objetiva facilitar este processo através da centralização de todos os dispositivos de rede em um único controlador central, o qual pode ser gerenciado inteiramente via software Entretanto, essa centralização pode trazer problemas pois, se o controlador SDN for atacado, o funcionamento de toda a rede pode ser prejudicado Dessa forma, são necessários mecanismos que garantam a segurança deste controlador contra ataques ou anomalias que possam acometer seu funcionamento, tais como ataques distribuídos de negação de serviço (DDoS, do inglês Distributed Denial of Service) Esta tese tem como objetivo apresentar um sistema de detecção e mitigação de anomalias aplicado a ambientes SDN Para isso, diferentes técnicas de detecção de anomalias são testadas, como redes neurais do tipo perceptron com múltiplas camadas, um modelo de aprendizagem de máquina, além de Redes Neurais Convolucionais (CNN, do inglês Convolutional Neural Networks) e Gated Recurrent Units (GRU), abordagens de aprendizagem profunda Além disso, é proposta uma abordagem baseada em Teoria de Jogos que tem por finalidade otimizar a quantidade de pacotes descartados em uma política de mitigação Para mensurar a eficiência do sistema proposto, diferentes cenários de testes são aplicados Os resultados apontam que o sistema obtém boas taxas de detecção tanto em ataques do tipo DDoS quanto em diferentes ataques de intrusão Por fim, o sistema se demonstrou eficaz em trazer a rede de volta para seu estado normal por meio do processo de mitigação