MAC protocol for location systems

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesNa ultima década as redes de comunicações sem fios sofreram uma evolução sem precedentes, e as suas características particulares potenciaram a sua aplicação em vários contextos. No caso caso específico da localização em ambientes interiores, pretende-se que através de dados recolhidos por um conjunto de sensores sem fios, seja possível detectar com relativa precisão um objecto móvel devidamente identificado. Este tipo de sistemas permitem por exemplo, monitorizar um paciente de risco num hospital, dando informação precisa do seu paradeiro no momento da ocorrência de algum incidente. Outra possível aplicação será, por exemplo, dentro de uma empresa ou instituição, recolher informação precisa sobre o paradeiro de cada trabalhador, visitante ou produto. Isto permite melhorar a logística a gestão dos recursos. As soluções comuns de localização não endereçam devidamente a problemática de acesso ao meio para a realização de transmissões. Isto tem impacto na eficiência de utilização do canal de comunicações e resulta num número inferior de localizações por unidade de tempo. Estes sistemas revelam assim a necessidade de um protocolo de acesso ao meio específico que permita reduzir o tempo necessário à localização de cada dispositivo móvel permitindo a integração de um número mais elevado dispositivos móveis ou fixos numa rede de localização. Esta tese explora a utilização de Zigbee para implementar um protocolo master/multi-slave (FTT-L) aplicado a um sistema de localização. Este protocolo bem como a sua implementação é descrita neste documento. São também conduzidos vários testes para determinar alguns parâmetros chave. Os resultados são utilizados para derivar o tempo mínimo de localização que é validado experimentalmente. ABSTRACT: In the last decade the proliferation of wireless communication networks has reached unprecedented values, and their features empowered the application of wireless networks to the most varied contexts. In the specific case of indoor location, the target is to detect with relative precision an identified mobile object with the data collected from a wireless sensor network. This system allows us to monitor a risk patient in an hospital, giving the precise information about its location at the moment of a possible accident. Other possible application is, for example, to gather inside a company or institution the precise location of every worker, visitor or product. This can improve the logistics and the management of the personnel. The common location solutions do not address the problematic of medium access for transmitting messages. This has impact on the transmission channel occupation and indirectly lowers the system efficiency, which results on a smaller number of locations per unit of time. These systems reveal the necessity of a specific protocol for accessing the medium to reduce the necessary time to locate each mobile device, allowing the integration of a larger number of mobile devices or fixed devices in a location network. This thesis explores the use of ZigBee to implement a master/multi-slave protocol (FTT-L) supporting a localization system. This protocol as well as its implementation are described throughout the thesis and an assessment of several key parameters is conducted. Results are used to derive the delay of a localization round, which was validated experimentally

Comunicações sem-fios de tempo-real para ambientes abertos

Doutoramento em Engenharia InformáticaWireless communication technologies have become widely adopted, appearing in heterogeneous applications ranging from tracking victims, responders and equipments in disaster scenarios to machine health monitoring in networked manufacturing systems. Very often, applications demand a strictly bounded timing response, which, in distributed systems, is generally highly dependent on the performance of the underlying communication technology. These systems are said to have real-time timeliness requirements since data communication must be conducted within predefined temporal bounds, whose unfulfillment may compromise the correct behavior of the system and cause economic losses or endanger human lives. The potential adoption of wireless technologies for an increasingly broad range of application scenarios has made the operational requirements more complex and heterogeneous than before for wired technologies. On par with this trend, there is an increasing demand for the provision of cost-effective distributed systems with improved deployment, maintenance and adaptation features. These systems tend to require operational flexibility, which can only be ensured if the underlying communication technology provides both time and event triggered data transmission services while supporting on-line, on-the-fly parameter modification. Generally, wireless enabled applications have deployment requirements that can only be addressed through the use of batteries and/or energy harvesting mechanisms for power supply. These applications usually have stringent autonomy requirements and demand a small form factor, which hinders the use of large batteries. As the communication support may represent a significant part of the energy requirements of a station, the use of power-hungry technologies is not adequate. Hence, in such applications, low-range technologies have been widely adopted. In fact, although low range technologies provide smaller data rates, they spend just a fraction of the energy of their higher-power counterparts. The timeliness requirements of data communications, in general, can be met by ensuring the availability of the medium for any station initiating a transmission. In controlled (close) environments this can be guaranteed, as there is a strict regulation of which stations are installed in the area and for which purpose. Nevertheless, in open environments, this is hard to control because no a priori abstract knowledge is available of which stations and technologies may contend for the medium at any given instant. Hence, the support of wireless real-time communications in unmanaged scenarios is a highly challenging task. Wireless low-power technologies have been the focus of a large research effort, for example, in the Wireless Sensor Network domain. Although bringing extended autonomy to battery powered stations, such technologies are known to be negatively influenced by similar technologies contending for the medium and, especially, by technologies using higher power transmissions over the same frequency bands. A frequency band that is becoming increasingly crowded with competing technologies is the 2.4 GHz Industrial, Scientific and Medical band, encompassing, for example, Bluetooth and ZigBee, two lowpower communication standards which are the base of several real-time protocols. Although these technologies employ mechanisms to improve their coexistence, they are still vulnerable to transmissions from uncoordinated stations with similar technologies or to higher power technologies such as Wi- Fi, which hinders the support of wireless dependable real-time communications in open environments. The Wireless Flexible Time-Triggered Protocol (WFTT) is a master/multi-slave protocol that builds on the flexibility and timeliness provided by the FTT paradigm and on the deterministic medium capture and maintenance provided by the bandjacking technique. This dissertation presents the WFTT protocol and argues that it allows supporting wireless real-time communication services with high dependability requirements in open environments where multiple contention-based technologies may dispute the medium access. Besides, it claims that it is feasible to provide flexible and timely wireless communications at the same time in open environments. The WFTT protocol was inspired on the FTT paradigm, from which higher layer services such as, for example, admission control has been ported. After realizing that bandjacking was an effective technique to ensure the medium access and maintenance in open environments crowded with contention-based communication technologies, it was recognized that the mechanism could be used to devise a wireless medium access protocol that could bring the features offered by the FTT paradigm to the wireless domain. The performance of the WFTT protocol is reported in this dissertation with a description of the implemented devices, the test-bed and a discussion of the obtained results.As tecnologias de comunicação sem fios tornaram-se amplamente adoptadas, surgindo em aplicações heterógeneas que vão desde a localização de vítimas, pessoal médico e equipamentos em cenários de desastre à monitorização da condição física de máquinas em ambientes industrials. Muito frequentemente, as aplicações exigem uma resposta limitada no tempo que, geralmente, em sistemas distribuídos, é substancialmente dependente do desempenho da tecnologia de comunicação utilizada. Estes sistemas tendem a possuir requisitos de tempo-real uma vez que a comunicação de dados tem de ser conduzida dentro de limites temporais pré-definidos que, quando não cumpridos, podem comprometer o correcto funcionamento do sistema e resultar em perdas económicas ou colocar em risco vidas humanas. A potencial adopção de tecnologias sem-fios para um crescente número de cenários traduz-se num aumento da complexidade e heterogeneidade dos requisitos operacionais relativamente às tecnologias cabladas. A acompanhar esta tendência verifica-se uma crescente procura de sistemas distribuídos, caracterizados quer por uma boa relação custo-eficácia, quer pela simplicidade de instalação, manutenção e adaptação. Ao mesmo tempo, estes sistemas tendem a requerer flexibilidade operacional, que apenas pode ser assegurada se a tecnlogia de comunicação empregue supportar transmissões de dados dispoletadas quer por eventos (event-triggered), quer por tempo (timetriggered) e se, ao mesmo tempo, em funcionamento, permitir a alteração dos parâmetros de comunicação correspondentes. Frequentemente, as aplicações com comunicações sem fios caracterizam-se por exigências de instalação que apenas podem ser endereçadas usando alimentação através de baterias e/ou mecanismos de recolha de energia do ambiente envolvente. Estas aplicações têm tipicamente requisitos exigentes de autonomia e de tamanho, impedindo o recurso a baterias de grande dimensão. Dado que o suporte de comunicações pode representar uma parte significativa dos requisitos de energia da estação, o uso de tecnologias de comunicação de elevado consumo não é adequado. Desta forma, nestas aplicações, as tecnologias de comunicação de curto-alcance tornaram-se amplamente adoptadas uma vez que, apesar de se caracterizarem por taxas de transmissão inferiores, consomem apenas uma fracção da energia das tecnologias de maior alcance. resumo Em geral, os requisitos de pontualidade da comunicação de dados podem ser cumpridos através da garantia da disponibilidade do meio no instante em que qualquer estação inicie uma transmissão. Em ambientes controlados esta disponibilidade pode ser garantida, na medida em que existe um controlo de quais as estações que foram instaladas na área e qual a sua função. Contrariamente, em ambientes abertos, tal controlo é difícil de garantir uma vez que não existe conhecimento a priori de que estações ou tecnologias podem competir pelo meio, tornando o suporte de comunicações de temporeal um desafio difícil de implementar em cenários com estações de comunicação não controladas. As comunicações de baixo consumo têm sido o foco de um esforço de investigação bastante amplo, por exemplo, no domínio das redes de sensores sem fios. Embora possam permitir uma maior autonomia a estações baseadas em baterias, estas tecnologias são reconhecidas como sendo negativamente influenciadas por tecnologias semelhantes competindo pelo mesmo meio e, em particular, por tecnologias que utilizem níveis de potência de transmissão mais elevados em bandas de frequências comuns. De forma cada vez mais acentuada, a banda industrial, científica e médica (ISM) dos 2.4 GHz tem-se tornado mais saturada com tecnologias que competem entre si pelo acesso ao meio tais como, por exemplo, Bluetooth e ZigBee, dois padrões de comunicação que são a base de vários protocolos de tempo-real. Apesar destas tecnologias aplicarem mecanismos para melhorar a sua coexistência, são vulneráveis a transmissões de estações não controladas que usem as mesmas tecnologias ou que usem tecnologias com níveis de potência de transmissão mais elevados, impedindo, desta forma, o suporte de comunicações de tempo-real fiáveis em ambientes abertos. O protocolo de comunicação sem fios flexível disparado por tempo (WFTT) é baseado numa arquitectura mestre/múltiplo escravo alavancado na flexibilidade e pontualidade promovidas pelo paradigma FTT e na captura e manutenção determinística do meio suportadas pela técnica de bandjacking (captura de banda). Esta tese apresenta o protocolo WFTT e argumenta que este permite suportar serviços de comunicação de tempo-real com requisitos elevados de fiabilidade em ambientes abertos onde várias tecnologias de comunicação baseadas em contenção disputam o acesso ao meio. Adicionalmente, esta tese reivindica que é possível suportar comunicações sem-fios simultaneamente flexíveis e pontuais em ambientes abertos. O protocolo WFTT foi inspirado no paradigma FTT, do qual importa os serviços de alto nível como, por exemplo, o controlo de admissão. Após a observação da eficácia da técnica de bandjacking em assegurar o acesso ao meio e a correspondente manutenção, foi reconhecida a possibilidade de utilização deste mecanismo para o desenvolvimento de um protocolo de acesso ao meio, capaz de oferecer as funcionalidades do paradigma FTT em meios de comunicação sem-fios. O desempenho do protocolo WFTT é reportado nesta tese com uma descrição dos dispositivos implementados, da bancada de ensaios desenvolvida e dos resultados obtidos

Power Beacon’s deployment optimization for wirelessly powering massive Internet of Things networks

Abstract. The fifth-generation (5G) and beyond wireless cellular networks promise the native support to, among other use cases, the so-called Internet of Things (IoT). Different from human-based cellular services, IoT networks implement a novel vision where ordinary machines possess the ability to autonomously sense, actuate, compute, and communicate throughout the Internet. However, as the number of connected devices grows larger, an urgent demand for energy-efficient communication technologies arises. A key challenge related to IoT devices is that their very small form factor allows them to carry just a tiny battery that might not be even possible to replace due to installation conditions, or too costly in terms of maintenance because of the massiveness of the network. This issue limits the lifetime of the network and compromises its reliability. Wireless energy transfer (WET) has emerged as a potential candidate to replenish sensors’ batteries or to sustain the operation of battery-free devices, as it provides a controllable source of energy over-the-air. Therefore, WET eliminates the need for regular maintenance, allows sensors’ form factor reduction, and reduces the battery disposal that contributes to the environment pollution. In this thesis, we review some WET-enabled scenarios and state-of-the-art techniques for implementing WET in IoT networks. In particular, we focus our attention on the deployment optimization of the so-called power beacons (PBs), which are the energy transmitters for charging a massive IoT deployment subject to a network-wide probabilistic energy outage constraint. We assume that IoT sensors’ positions are unknown at the PBs, and hence we maximize the average incident power on the worst network location. We propose a linear-time complexity algorithm for optimizing the PBs’ positions that outperforms benchmark methods in terms of minimum average incident power and computation time. Then, we also present some insights on the maximum coverage area under certain propagation conditions

Modelação e simulação de equipamentos de rede para Indústria 4.0

Currently, the industrial sector has increasingly opted for digital technologies in order to automate all its processes. This development comes from notions like Industry 4.0 that redefines the way these systems are designed. Structurally, all the components of these systems are connected in a complex network known as the Industrial Internet of Things. Certain requirements arise from this concept regarding industrial communication networks. Among them, the need to ensure real-time communications, as well as support for dynamic resource management, are extremely relevant. Several research lines pursued to develop network technologies capable of meeting such requirements. One of these protocols is the Hard Real-Time Ethernet Switch (HaRTES), an Ethernet switch with support for real-time communications and dynamic resource management, requirements imposed by Industry 4.0. The process of designing and implementing industrial networks can, however, be quite time consuming and costly. These aspects impose limitations on testing large networks, whose level of complexity is higher and requires the usage of more hardware. The utilization of network simulators stems from the necessity to overcome such restrictions and provide tools to facilitate the development of new protocols and evaluation of communications networks. In the scope of this dissertation a HaRTES switch model was developed in the OMNeT++ simulation environment. In order to demonstrate a solution that can be employed in industrial real-time networks, this dissertation presents the fundamental aspects of the implemented model as well as a set of experiments that compare it with an existing laboratory prototype, with the objective of validating its implementation.Atualmente o setor industrial tem vindo cada vez mais a optar por tecnologias digitais de forma a automatizar todos os seus processos. Este desenvolvimento surge de noções como Indústria 4.0, que redefine o modo de como estes sistemas são projetados. Estruturalmente, todos os componentes destes sistemas encontram-se conectados numa rede complexa conhecida como Internet Industrial das Coisas. Certos requisitos advêm deste conceito, no que toca às redes de comunicação industriais, entre os quais se destacam a necessidade de garantir comunicações tempo-real bem como suporte a uma gestão dinâmica dos recursos, os quais são de extrema importância. Várias linhas de investigação procuraram desenvolver tecnologias de rede capazes de satisfazer tais exigências. Uma destas soluções é o "Hard Real-Time Ethernet Switch" (HaRTES), um switch Ethernet com suporte a comunicações de tempo-real e gestão dinâmica de Qualidade-de-Serviço (QoS), requisitos impostos pela Indústria 4.0. O processo de projeto e implementação de redes industriais pode, no entanto, ser bastante moroso e dispendioso. Tais aspetos impõem limitações no teste de redes de largas dimensões, cujo nível de complexidade é mais elevado e requer o uso de mais hardware. Os simuladores de redes permitem atenuar o impacto de tais limitações, disponibilizando ferramentas que facilitam o desenvolvimento de novos protocolos e a avaliação de redes de comunicações. No âmbito desta dissertação desenvolveu-se um modelo do switch HaRTES no ambiente de simulação OMNeT++. Com um objetivo de demonstrar uma solução que possa ser utilizada em redes de tempo-real industriais, esta dissertação apresenta os aspetos fundamentais do modelo implementado bem como um conjunto de experiências que o comparam com um protótipo laboratorial já existente, no âmbito da sua validação.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Proceedings Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium

The Work-In-Progress session of the 13th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS\u2707) presents papers describing contributions both to state of the art and state of the practice in the broad field of real-time and embedded systems. The 17 accepted papers were selected from 19 submissions. This proceedings is also available as Washington University in St. Louis Technical Report WUCSE-2007-17, at http://www.cse.seas.wustl.edu/Research/FileDownload.asp?733. Special thanks go to the General Chairs – Steve Goddard and Steve Liu and Program Chairs - Scott Brandt and Frank Mueller for their support and guidance

Comunicações sem fios confiáveis para aplicações veiculares

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaIn the last decades the number of vehicles travelling in European road has raised significantly. Unfortunately, this brought a very high number of road accidents and consequently various injuries and fatalities. Even after the introduction of passive safety systems, such as seat belts, airbags, and some active safety systems, such as electronic brake system (ABS) and electronic stabilization (ESP), the number of accidents is still too high. Approximately eight per cent of the fatal accidents occur in motorways, in the Portuguese case, the number of fatalities has remained constant in the first decade of the 21st century. The evolution of wireless communications, along with the north-American and European policies that reserve spectrum near the 5,9GHz band for safety applications in the vehicular environment, has lead to the development of several standards. Many of these applications are based on the possibility of using a wireless communication system to warn drivers and passengers of events occurring on the road that can put at risk their own safety. Some examples of safety applications are the hard-brake warning, the wrong-way warning and the accident warning. This work aims to contribute in defining a communication protocol that guarantees the timely dissemination of safety critical events, occurring in scenarios with a high number of vehicles or in the neighbourhood of so called motorway “blackspots”, to all vehicles in the zone of interest. To ensure information integrity and user trust, the proposed system is based on the motorway infrastructure, which will validate all events reported by the vehicles with the usage of several means, such as video surveillance or other sensors. The usage of motorway infrastructure that has full motorway coverage using fixed stations also known as road side units, allows to have a global vision of the interest zone, avoiding the problems associated to networks that depend solely on vehicle to vehicle communication, generally total ad-hoc networks. By using the infrastructure, it is possible to control medium access, avoiding possible badly intended intrusions and also avoiding the phenomenon known as alarm showers or broadcast storm that occur when all vehicles want to simultaneously access the medium to warn others of a safety event. The thesis presented in this document is that it is possible to guarantee in time information about safety events, using an architecture where the road side units are coordinated among themselves, and communicate with on board units (in vehicles) that dynamically register and deregister from the system. An exhaustive and systematic state of the art of safety applications and related research projects is done, followed by a study on the available wireless communications standards that are able to support them. The set of standards IEEE802.11p and ETSI-G5 was created for this purpose and is found to be the more adequate, but care is taken to define a scenario where WAVE enabled and non-enabled vehicles can coexist. The WAVE medium access control protocol suffers from collision problems that do not guarantee a bounded delay, therefore a new protocol (V-FTT) is proposed, based on the adaptation of the Flexible Time Triggered protocol to the vehicular field. A theoretical analysis of the V-FTT applied to WAVE and ETSI-G5 is done, including quantifying a real scenario based on the A5 motorway from Lisbon to Cascais, one of the busiest Portuguese motorways. We conclude the V-FTT protocol is feasible and guarantees a bounded delay.Nas últimas décadas tem-se assistido a um aumento do número de veículos a circular nas vias rodoviárias europeias, trazendo consigo um elevado número de acidentes e como consequência muitos feridos e vítimas mortais. Apesar da introdução de sistemas de segurança passivos, tais como cintos de segurança, airbags e de alguns sistemas de segurança activos, tais como o sistema electrónico de travagem (ABS) e o sistema electrónico de estabilidade (ESP), o número de acidentes continua a ser demasiado elevado. Aproximadamente oito por cento dos acidentes fatais na Europa ocorrem em auto-estradas, no caso Português, o número de vítimas mortais tem-se mantido constante ao longo da primeira década do século XXI. A evolução das comunicações sem fios, acompanhada de políticas europeias e norte-americanas no sentido de reservar frequências próximas dos 5,9GHz para aplicações de segurança no ambiente veicular, levou à especificação de várias normas. A maior parte destas aplicações baseiam-se na possibilidade de usar um sistema confiável de comunicação sem fios para alertar os condutores e passageiros de veículos para eventos ocorridos nas estradas que possam colocar em risco a sua segurança. Exemplos de aplicações de segurança crítica são o aviso de travagem brusca, o aviso de veículo em contra mão e o aviso de acidente na estrada. Este trabalho contribui para a definição de protocolos de comunicação capazes de garantir que a informação sobre eventos relacionados com situações de segurança crítica, que ocorram em cenários com um elevado número de veículos em zonas urbanas ou na vizinhança dos chamados “pontos negros” das auto-estradas, é disseminada com pontualidade por todos os veículos localizados na zona de interesse Por uma questão da integridade das comunicações e confiança dos condutores, o sistema proposto baseia-se na infra-estrutura do concessionário da auto-estrada, que validará os eventos reportados pelos veículos usando vários meios à sua disposição, como por exemplo sistemas de videovigilância e outros sensores. O uso de uma infra-estrutura de comunicações, que dispõe de cobertura integral a partir de estações fixas, permite uma visão global da zona coberta, evitando os problemas associados a redes baseadas apenas na comunicação entre veículos, que são em geral totalmente ad-hoc. O uso da infra-estrutura permite, entre outras vantagens, controlar o acesso ao meio, evitando simultaneamente intrusões de estranhos ao sistema e o fenómeno conhecido como “chuva de alarmes” desencadeado quando todos os veículos querem aceder simultaneamente ao meio para avisar os restantes da existência dum evento de segurança crítica. A tese apresentada neste documento defende que é possível garantir informação atempada sobre eventos que põem em risco a segurança dos veículos a partir de uma arquitectura de interligação entre as estações de comunicações fixas, coordenadas entre si, e unidades móveis (veículos) que se registam e se desligam dinamicamente do sistema. Nesta tese faz-se um levantamento exaustivo e sistemático das aplicações de segurança abordando projectos de investigação relacionados, estudam-se as tecnologias de comunicação sem fios disponíveis e a sua possibilidade de suportar aplicações de segurança rodoviária. Desta análise, conclui-se que a norma norte americana WAVE/IEEE802.11p e a europeia ETSI-G5, criadas especificamente para o efeito são as que mais se adequam à finalidade desejada. Considera-se que o cenário de utilização é evolutivo, podendo coexistirem veículos que não dispõem de sistemas de comunicação com outros que suportam a norma WAVE. Dado que o protocolo de acesso ao meio proposto pela norma WAVE não garante um acesso determinístico ao meio partilhado, propõe-se um novo protocolo, o Vehicular Flexible Time-Triggered protocol (VFTT). Faz-se a análise teórica da viabilidade do protocolo proposto para a norma WAVE e respectiva norma europeia (ETSI-G5). Quantifica-se o protocolo VFTT para um cenário real: a auto-estrada A5 Lisboa-Cascais, uma das autoestradas portuguesas mais movimentadas. Conclui-se que o protocolo é viável e garante um atraso restringido temporalmente

Quality of Service for High Performance IoT Systems

The fourth industrial generation brought both solutions as challenges. It allowed greater efficiency and effectiveness in manufacturing, reducing both costs and wastes. However, it consists in the deployment of innumerable devices for data collection and control processes. This brings challenges such as interoperability between all these heterogeneous systems. Thus, a group of partners, supported by the European Union, proposed a solution, the Arrowhead Framework. Its aim is to create a framework with a service-oriented architecture (SOA) enabling an abstract collaboration between all these different devices. While in development, the framework does not provide Quality of Service (QoS), which prevents its use in more demanding networks. This limitation was the central problem solved in this project. This project focus on developing an architecture that provides QoS support in Arrowhead compliant systems. Here the main challenges addressed are the following: developing an architecture capable of working with different communication protocols and technologies; develop an architecture capable of working with an unlimited number of QoS requirements. During the entire project, its development process consisted in two main iterations: the first was regarding the development of an architecture; the second consisted in the development of a pilot project based on the FTT-SE protocol that could test the architecture developed in the first iteration. At last, the final product consists in two systems, one for QoS configuration and other for monitoring. These two systems are independent of each other. Regarding QoS requirements, only delay and bandwidth were implemented.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Building appliances energy performance assessment

Trabalho de Projeto de Mestrado, Informática, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasO consumo de energia tem vindo a crescer na União Europeia todos os anos, sendo de prever que, a curto prazo, se torne insustentável. No sentido de prevenir este cenário, a Comissão Europeia decidiu definir uma Estratégia Energética para a União Europeia, destacando dois objetivos: aumentar a eficiência energética e promover a descarbonização. Atualmente, cerca de 72% dos edifícios existentes na União Europeia não são energeticamente eficientes. Este problema motivou-nos à pesquisa e criação de soluções que permitam uma melhor avaliação do consumo energético por dispositivos elétricos em edifícios residenciais. Neste contexto, o trabalho desenvolvido nesta tese consiste no desenho de uma solução de monitorização remota que recolhe informações de consumo energético recorrendo a técnicas de intrusive load monitoring, onde cada dispositivo elétrico individual é continuamente monitorizado quanto ao seu consumo energético. Esta abordagem permite compreender o consumo de energia, em tempo real e no dia-a-dia. Este conhecimento oferece-nos a capacidade de avaliar as diferenças existentes entre as medições laboratoriais (abordagem utilizada no sistema de rotulagem de equipamentos elétricos de acordo com a sua eficiência energética) e os consumos domésticos estimados. Para tal, nesta tese exploram-se abordagens de machine learning que pretendem descrever padrões de consumo, bem como reconhecer marcas, modelos e que funções os dispositivos elétricos estarão a executar. O principal objetivo deste trabalho é desenhar e implementar um protótipo de uma solução de IoT flexível e de baixo custo para avaliar equipamentos elétricos. Será utilizado um conjunto de sensores que recolherá dados relacionados com o consumo de energia e os entrega à plataforma SATO para serem posteriormente processados. O sistema será usado para monitorar aparelhos comumente encontrados em residências. Além disso, o sistema terá a capacidade de monitorizar o consumo de água de aparelhos que necessitem de abastecimento de água, como máquinas de lavar e de lavar louça. Os dados recolhidos serão usados para classificação dos aparelhos e modos de operação dos mesmos, em tempo real, permitindo fornecer relatórios sobre o consumo energético e modo de uso dos aparelhos, com grande grau de detalhe. Os relatórios podem incluir o uso de energia por vários ciclos de operação. Por exemplo, um aparelho pode executar vários ciclos de operação, como uma máquina de lavar que consume diferentes quantidades de energia elétrica e água consoante o modo de operação escolhido pelo utilizador. Toda a informação recolhida pode ser posteriormente utilizada em novos serviços de recomendação que ajudaram os utilizadores a definir melhor as configurações adequadas a um determinado dispositivo, minimizando o consumo energético e melhorando a sua eficiência. Adicionalmente toda esta informação pode ser utilizada para o diagnóstico de avarias e/ou manutenção preventiva. Em termos de proposta, o trabalho desenvolvido nesta tese tem as seguintes contribuições: Sistema de monitorização remota: o sistema de monitorização desenhado e implementado nesta tese avança o estado da arte dos sistemas de monitorização propostos pela literatura devido ao facto de incluir uma lista aprimorada de sensores que podem fornecer mais informações sobre os aparelhos, como o consumo de água da máquina de lavar. Além disso, é altamente flexível e pode ser implementado sem esforço em dispositivos novos ou antigos para monitorização de consumo de recursos. Conjunto de dados de consumo de energia de eletrodomésticos: Os dados recolhidos podem ser usados para futura investigação científica sobre o consumo de consumo de energia, padrões de uso de energia pelos eletrodomésticos e classificação dos mesmos. Abordagem de computação na borda (Edge Computing): O sistema de monitorização proposto explora o paradigma de computação na borda, onde parte da computação de preparação de dados é executada na borda, libertando recursos da nuvem para cálculos essenciais e que necessitem de mais poder computacional. Classificação precisa de dispositivos em tempo real: Coma proposta desenhada nesta tese, podemos classificar os dispositivos com alta precisão, usando os dados recolhidos pelo sistema de monitorização desenvolvido na tese. A abordagem proposta consegue classificar os dispositivos, que são monitorizados, com baixas taxas de falsos positivos. Para fácil compreensão do trabalho desenvolvido nesta tese, de seguida descreve-se a organização do documento. O Capítulo 1 apresenta o problema do consumo de energia na União Europeia e discute o aumento do consumo da mesma. O capítulo apresenta também os principais objetivos e contribuições do trabalho. No Capítulo 2 revê-se o trabalho relacionado em termos de sistema de monitorização remota, que inclui sensores, microcontroladores, processamento e filtragem de sinal. Por fim, este capítulo revê os trabalhos existentes na literatura relacionados com o problema de classificação de dispositivos usando abordagens de machine learning. No Capítulo 3 discutem-se os requisitos do sistema e o projeto de arquitetura conceitual do sistema. Neste capítulo é proposta uma solução de hardware, bem como, o software e firmware necessários à sua operação. Os algoritmos de machine learning necessários à classificação são também discutidos, em termos de configurações necessárias e adequadas ao problema que queremos resolver nesta tese. O Capítulo 4 representa a implementação de um protótipo que servirá de prova de conceito dos mecanismos discutidos no Capítulo 3. Neste capítulo discute-se também a forma de integração do protótipo na plataforma SATO. Com base na implementação feita, no Capítulo 5 especificam-se um conjunto de testes funcionais que permitem avaliar o desempenho da solução proposta e discutem-se os resultados obtidos a partir desses testes. Por fim, o Capítulo 6 apresenta as conclusões e o trabalho futuro que poderá ser desenvolvido partindo da solução atual.Energy consumption is daily growing in European Union (EU). One day it will become hardly sustainable. For this not to happen European Commission decided to implement a European Union Strategy, emphasizing two objectives: increasing energy efficiency and decarbonization. About 72% of all buildings in the EU are not adapted to be energy efficient. This problem encourages us to create solutions that would help assess the energy consumption of appliances at residential houses. In this thesis, we proposed a system that collects data using an intrusive load monitoring approach, where each appliance will have a dedicated monitoring rig to collect the energy consumption data. The proposed solution will help us understand the real-life consumption of each device being monitored and compare the laboratory measurements observed versus domestic consumption estimated by the energy consumption based on the EU energy efficiency labelling system. The system proposed detects device consumption patterns and recognize its brand, model and what actions that appliance is executing, e.g., program of washing in a washing machine. To achieve our goal, we designed a hardware solution capable of collecting sensor data, filtering and send it to a cloud platform (the SATO platform). Additionally, in the cloud, we have a Machine Learning solution that deals with the data and recognizes the appliance and its operation modes. This recognition allows drawing a device/settings profile, which can detect faults and create a recommendation service that helps users define the better settings for a specific appliance, minimizing energy consumption and improving efficiency. Finally, we examine our prototype approach of the system implemented for targeted objectives in this project report. The document describes the experiments that we did and the final results. Our results show that we can identify the appliance and some of its operation modes. The proposed approach must be improved to make the identification of all operation modes. However, the current version of the system shows exciting results. It can be used to support the design of a new labelling system where daily operation measures can be used to support the new classification system. This way, we have an approach that allows improving the energy consumption, making builds more efficient

Comunicações confiáveis sem-fios para redes veiculares

Vehicular communications are a promising field of research, with numerous potential services that can enhance traffic experience. Road safety is the most important objective behind the development of wireless vehicular networks, since many of the current accidents and fatalities could be avoided if vehicles had the ability to share information among them, with the road-side infrastructure and other road users. A future with safe, efficient and comfortable road transportation systems is envisaged by the different traffic stakeholders - users, manufacturers, road operators and public authorities. Cooperative Intelligent Transportation Systems (ITS) applications will contribute to achieve this goal, as well as other technological progress, such as automated driving or improved road infrastructure based on advanced sensoring and the Internet of Things (IoT) paradigm. Despite these significant benefits, the design of vehicular communications systems poses difficult challenges, mainly due to the very dynamic environments in which they operate. In order to attain the safety-critical requirements involved in this type of scenarios, careful planning is necessary, so that a trustworthy behaviour of the system can be achieved. Dependability and real-time systems concepts provide essential tools to handle this challenging task of enabling determinism and fault-tolerance in vehicular networks. This thesis aims to address some of these issues by proposing architectures and implementing mechanisms that improve the dependability levels of realtime vehicular communications. The developed strategies always try to preserve the required system’s flexibity, a fundamental property in such unpredictable scenarios, where unexpected events may occur and force the system to quickly adapt to the new circumnstances.The core contribution of this thesis focuses on the design of a fault-tolerant architecture for infrastructure-based vehicular networks. It encompasses a set of mechanisms that allow error detection and fault-tolerant behaviour both in the mobile and static nodes of the network. Road-side infrastructure plays a key role in this context, since it provides the support for coordinating all communications taking place in the wireless medium. Furthermore, it is also responsible for admission control policies and exchanging information with the backbone network. The proposed methods rely on a deterministic medium access control (MAC) protocol that provides real-time guarantees in wireless channel access, ensuring that communications take place before a given deadline. However, the presented solutions are generic and can be easily adapted to other protocols and wireless technologies. Interference mitigation techniques, mechanisms to enforce fail-silent behaviour and redundancy schemes are introduced in this work, so that vehicular communications systems may present higher dependability levels. In addition to this, all of these methods are included in the design of vehicular network components, guaranteeing that the real-time constraints are still fulfilled. In conclusion, wireless vehicular networks hold the potential to drastically improve road safety. However, these systems should present dependable behaviour in order to reliably prevent the occurrence of catastrophic events under all possible traffic scenarios.As comunicações veiculares são uma área de investigação bastante promissora, com inúmeros potenciais serviços que podem melhorar a experiência vivida no tráfego. A segurança rodoviária é o objectivo mais importante por detrás do desenvolvimento das redes veiculares sem-fios, visto que muitos dos atuais acidentes e vítimas mortais poderiam ser evitados caso os veículos tivessem a capacidade de trocar informação entre eles, com a infraestrutura rodoviária e outros utilizadores da estrada. Um futuro com sistemas de transporte rodoviário seguros, eficientes e confortáveis é algo ambicionado pelas diferentes partes envolvidas - utilizadores, fabricantes, operadores da infraestrutura e autoridades públicas. As aplicações de Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) cooperativas vão contribuir para alcançar este propósito, em conjunto com outros avanços tecnológicos, nomeadamente a condução autónoma ou uma melhor infraestrutura rodoviária baseada em sensorização avançada e no paradigma da Internet das Coisas (IoT). Apesar destes benefícios significativos, o desenho de sistemas de comunicações veiculares coloca desafios difíceis, em grande parte devido aos ambientes extremamente dinâmicos em que estes operam. De modo a atingir os requisitos de segurança crítica envolvidos neste tipo de cenários, é necessário um cuidadoso planeamento por forma a que o sistema apresente um comportamento confiável. Conceitos de dependabilidade e de sistemas de tempo-real constituem ferramentas essenciais para lidar com esta desafiante tarefa de dotar as redes veiculares de determinismo e tolerância a faltas. Esta tese pretende endereçar alguns destes problemas através da proposta de arquitecturas e da implementação de mecanismos que melhorem os níveis da dependabilidade das comunicações veiculares de tempo-real. As estratégias desenvolvidas tentam sempre preservar a necessária flexibilidade do sistema, uma propriedade fundamental em cenários tão imprevisíveis, onde eventos inesperados podem ocorrer e forçar o sistema a adaptar-se rapidamente às novas circunstâncias.A contribuição principal desta tese foca-se no desenho de uma arquitectura tolerante a faltas para redes veiculares com suporte da infraestrutura de beira de estrada. Esta arquitectura engloba um conjunto de mecanismos que permite detecção de erros e comportamento tolerante a faltas, tanto nos nós móveis como nos nós estáticos da rede. A infraestrutura de beira de estrada desempenha um papel fundamental neste contexto, pois fornece o suporte que permite coordenar todas as comunicações que ocorrem no meio sem-fios. Para além disso, é também responsável pelos mecanismos de controlo de admissão e pela troca de informação com a rede de transporte. Os métodos propostos baseiam-se num protocolo determinístico de controlo de acesso ao meio (MAC) que fornece garantias de tempo-real no accesso ao canal semfios, assegurando que as comunicações ocorrem antes de um determinado limite temporal. No entanto, as soluções apresentadas são genéricas e podem ser facilmente adaptadas a outros protocolos e tecnologias sem-fios. Neste trabalho são introduzidas técnicas de mitigação de interferência, mecanismos para assegurar comportamento falha-silêncio e esquemas de redundância, de modo a que os sistemas de comunicações veiculares apresentem elevados níveis de dependabilidade. Além disso, todos estes métodos são incorporados no desenho dos componentes da rede veicular, guarantindo que as restrições de tempo-real continuam a ser cumpridas. Em suma, as redes veiculares sem-fios têm o potential para melhorar drasticamente a segurança rodoviária. Contudo, estes sistemas precisam de apresentar um comportamento confiável, de forma a prevenir a ocorrência de eventos catastróficos em todos os cenários de tráfego possíveis.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

Networked control systems for intelligent transportation systems and industrial automation

This thesis presents a study of two different applications of Networked Control Systems. The first is: Ethernet Networked Control System On-board of Train-wagons. An Ethernet backbone is shared between control and entertainment. The wagon contains a dedicated control server and a dedicated entertainment server, which act as fault-tolerant machines for one another. In the event of a server failure, the remaining machine can serve both entertainment and/or control. The study aims at enhancing system design in order to maximize the tolerable entertainment load in the event of a control/entertainment server failure, while not causing any control violations. This fault-tolerant system is mathematically analyzed using a performability model to relate failure rates, enhancements and rewards. The model is taken further to test two identical wagons, with a total of four fault-tolerant servers. All possible failure sequences are simulated and a different communication philosophy is tested to further minimize the degradation of the entertainment load supported during the failure of up to three of the four servers. The system is shown to be capable of operating with minimal degradation with one out of four servers. The second is: Wireless Networked Control Systems (WNCS) for Industrial Automation. A WNCS using standard 802.11 and 802.3 protocols for communication is presented. Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA) by ABB is used as a benchmark for comparison. The basic unit is a single workcell, however, there is a need to cascade several cells along a production line. Simulations are conducted and a nontraditional allocation scheme is used to ensure correct operation under the effect of co-channel interference and network congestion. Next, fault-tolerance at the controller level is investigated due to the importance of minimizing downtime resulting from controller failure. Two different techniques of interconnecting neighboring cells are investigated. The study models both a two and three-cell scenario, and all systems show that fault-tolerance is achievable. This is mathematically studied using a performability analysis to relate failure rates with rewards at each failure state. All simulations are conducted on OPNET Network Modeler and results are subjected to a 95% confidence analysis