Resilient communications in smart grids

Tese de mestrado, Segurança Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018As redes elétricas, algumas já centenárias, foram concebidas para uma realidade bastante diferente da actual. O facto de terem sido desenhadas para transportar e distribuir a energia de forma unidirecional, torna a infraestrutura rígida, causando problemas em termos de escalabilidade e dificulta a sua evolução. Conhecidas questões ambientais têm levado a que a geração de energia baseada em combustíveis fosseis seja substituída pela geração através de fontes de energia renováveis. Esta situação motivou a criação de incentivos ao investimento nas fontes de energia renováveis, o que levou a que cada vez mais consumidores apostem na microgeração. Estas alterações causaram uma mudança na forma como é feita a produção e distribuição de energia elétrica, com uma aposta crescente na interligação entre as várias fontes ao longo da infraestrutura, tornando a gestão destas redes uma tarefa extremamente complexa. Com o crescimento significativo de consumidores que também podem ser produtores, torna-se essencial uma coordenação cuidada na injeção de energia na rede. Este facto, aliado à crescente utilização de energia elétrica, faz com que a manutenção da estabilidade da rede seja um enorme desafio. As redes inteligentes, ou smart grids, propõem resolver muitos dos problemas que surgiram com esta alteração do paradigma de consumo/produção de energia elétrica. Os componentes da rede passam a comunicar uns com os outros, tornando a rede eléctrica bidirecional, facilitando assim a sua manutenção e gestão. A possibilidade de constante troca de informação entre todos os componentes que constituem a smart grid permite uma reação imediata relativamente às ações dos produtores e consumidores de energia elétrica. No entanto, com esta alteração de paradigma surgiram também muitos desafios. Nomeadamente, a necessidade de comunicação entre os equipamentos existentes nas smart grids leva a que as redes de comunicação tenham de cobrir grandes áreas. Essa complexidade aumenta quando a gestão necessita de ser feita ao nível de cada equipamento e não de forma global. Isto ´e devido ao facto de nas redes de comunicação tradicionais, o plano de controlo e o de dados estarem no mesmo equipamento, o que leva a que o seu controlo seja difícil e propício a erros. Este controlo descentralizado dificulta também a reorganização da rede quando ocorrem faltas pelo facto de não existir um dispositivo que tenha o conhecimento completo da rede. A adaptação rápida a faltas de forma a tornar a comunicação resiliente tem grande importância em redes sensíveis a latência como é o caso da smart grid, pelo que mecanismos eficientes de tolerância a faltas devem ser implementados. As redes definidas por software, ou Software Defined Networks (SDN), surgem como uma potencial solução para estes problemas. Através da separação entre o plano de controlo e o plano de dados, permite a centralização lógica do controlo da rede no controlador. Para tal, é necessário adicionar uma camada de comunicação entre o controlador e os dispositivos de rede, através de um protocolo como o Openflow. Esta separação reduz a complexidade da gestão da rede e a centralização lógica torna possível programar a rede de forma global, de modo a aplicar as políticas pretendidas. Estes fatores tornam a SDN uma soluçãoo interessante para utilizar em smart grids. Esta tese investiga formas de tornar a rede de comunicações empregue numa smart grid resiliente a faltas. Pelas vantagens mencionadas anteriormente, é usada uma solução baseada em SDN, sendo propostos dois módulos essenciais. O primeiro tem como objectivo a monitorização segura da rede, permitindo obter em tempo real métricas como largura de banda, latência e taxa de erro. O segundo módulo trata do roteamento e engenharia de tráfego, utilizando a informação fornecida pelo módulo de monitorização de forma a que os componentes da smart grid comuniquem entre si, garantindo que os requisitos das aplicações são cumpridos. Dada a criticidade da rede elétrica e a importância das comunicações na smart grid, os mecanismos desenvolvidos toleram faltas, quer de tipo malicioso, quer de tipo acidental.The evolution on how electricity is produced and consumed has made the management of power grids an extremely complex task. Today’s centenary power grids were not designed to fit a new reality where consumers can also be producers, or the impressive increase in consumption caused by more sophisticated and powerful appliances. Smart Grids have been prepared as a solution to cope with this problem, by supporting more sophisticated communications among all the components, allowing the grid to react quickly to changes in both consumption or production of energy. On the other hand, resorting to information and communication technologies (ICT) brings some challenges, namely, managing network devices at this scale and assuring that the strict communication requirements are fulfilled is a dauting task. Software Defined Networks (SDN) can address some of these problems by separating the control and data planes, and logically centralizing network control in a controller. The centralised control has the ability to observe the current state of the network from a vantage point, and programatically react based on that view, making the management task substantially easier. In this thesis we provide a solution for a resilient communications network for Smart Grids based on SDN. As Smart Grids are very sensitive to network issues, such as latency and packet loss, it is important to detect and react to any fault in a timely manner. To achieve this we propose and develop two core modules, a network monitor and a routing and traffic engineering module. The first is a solution for monitoring with the goal to obtain a global view of the current state of the network. The solution is secure, allowing malicious attempts to subvert this module to be detected in a timely manner. This information is then used by the second module to make routing decisions. The routing and traffic engineering module ensures that the communications among the smart grid components are possible and fulfils the strict requirements of the Smart Grid

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.The aim of this work is to evaluate the benefits of the Self-Organizing Networks (SON), with regard to planning and optimization in Long Term Evolution (LTE) networks, not only through its study but also through the development and testing ofalgorithms that assess the functioning of some ofits main functions. The accomplished study on SON allowed the identification of a set of functions, such as automatic Physical Cell Id (PCI) assignment, Automatic NeighbourRelation (ANR) and automatic handover parameter optimization that can ease or even replace some of the most common tasks in mobile network planning and optimization, in particular, LTE networks. Using an open source, Matlab® based, LTE simulator, available for academic research, a set of algorithms, which allow the implementation of the functions in question, were developed. In addition to the implemented functions, a set of changes, which give this simulator the ability to represent and simulate real networks were also introduced, allowing a more coherent analysis of the developed algorithms. The obtained results, beyond clearly showing the benefit ofthe developed algorithms, were also compared with those obtained by the professional planning and optimization tool, Atoll®, verifying a close performance level in some functions. Finally, a graphical interface was developed that allows the design, configuration, simulation and data analysis of the considered scenarios

Recent Advances in Wireless Communications and Networks

This book focuses on the current hottest issues from the lowest layers to the upper layers of wireless communication networks and provides "real-time" research progress on these issues. The authors have made every effort to systematically organize the information on these topics to make it easily accessible to readers of any level. This book also maintains the balance between current research results and their theoretical support. In this book, a variety of novel techniques in wireless communications and networks are investigated. The authors attempt to present these topics in detail. Insightful and reader-friendly descriptions are presented to nourish readers of any level, from practicing and knowledgeable communication engineers to beginning or professional researchers. All interested readers can easily find noteworthy materials in much greater detail than in previous publications and in the references cited in these chapters

Actas da 10ª Conferência sobre Redes de Computadores

Universidade do MinhoCCTCCentro AlgoritmiCisco SystemsIEEE Portugal Sectio

Algorithmic Solutions for Combinatorial Problems in Resource Management of Manufacturing Environments

This thesis studies the use of heuristic algorithms in a number of combinatorial problems that occur in various resource constrained environments. Such problems occur, for example, in manufacturing, where a restricted number of resources (tools, machines, feeder slots) are needed to perform some operations. Many of these problems turn out to be computationally intractable, and heuristic algorithms are used to provide efficient, yet sub-optimal solutions. The main goal of the present study is to build upon existing methods to create new heuristics that provide improved solutions for some of these problems. All of these problems occur in practice, and one of the motivations of our study was the request for improvements from industrial sources. We approach three different resource constrained problems. The first is the tool switching and loading problem, and occurs especially in the assembly of printed circuit boards. This problem has to be solved when an efficient, yet small primary storage is used to access resources (tools) from a less efficient (but unlimited) secondary storage area. We study various forms of the problem and provide improved heuristics for its solution. Second, the nozzle assignment problem is concerned with selecting a suitable set of vacuum nozzles for the arms of a robotic assembly machine. It turns out that this is a specialized formulation of the MINMAX resource allocation formulation of the apportionment problem and it can be solved efficiently and optimally. We construct an exact algorithm specialized for the nozzle selection and provide a proof of its optimality. Third, the problem of feeder assignment and component tape construction occurs when electronic components are inserted and certain component types cause tape movement delays that can significantly impact the efficiency of printed circuit board assembly. Here, careful selection of component slots in the feeder improves the tape movement speed. We provide a formal proof that this problem is of the same complexity as the turnpike problem (a well studied geometric optimization problem), and provide a heuristic algorithm for this problem.Siirretty Doriast

Embedded electronic systems driven by run-time reconfigurable hardware

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry.Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria.Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria

Técnicas de caminhos disjuntos para roteamento em systems-on-chip.

Resumo: Systems-on-chip (SoCs) são sistemas compostos contidos em um único substrato de silício. Os SoCs foram introduzidos nas metodologias de projeto para atender `a crescente demanda de aplicações complexas que requerem um grande poder computacional para sua execução. A utilização de SoCs contribui para uma diminuição de consumo de potência, pela ausência de um clock global, e para uma diminuição da área utilizada, visto que os componentes contidos em blocos são resultantes de projetos otimizados. As aplicações são compostas por subsistemas presentes em blocos distintos de lógica, cuja interação requer meios de comuni cação eficientes para seu adequado funcionamento. Devido `a demanda por uma maneira eficiente de comunicação interna aos SoCs, surgiram as chamadas Networks-on-chip (NoCs). Assim como nas redes tradicionais, as NoCs possuem problemas a serem resolvidos, dentre eles, a criação de técnicas eficientes de roteamento. Apesar da maioria das NoCs implementadas comercialmente utilizarem uma técnica conhecida como wormhole, na qual um n´o (ou vértice) estabelece um caminho direto até o nó alvo, ainda faz-se necessário evitar a competição por rotas já utilizadas. Dessa forma generalizamos o problema em se obter caminhos disjuntos internos aos SoCs em um problema de grafos conhecido como árvores geradoras independentes, que pode ser descrito resumidamente como: Dado um grafo G, um conjunto de árvores geradoras enraizadas em um vértice r em G é dito vértice/aresta independente se, par a cada vértice v em G, v != r, os caminhos de r a v em qualquer par de árvores são vértice/aresta disjuntos. Se a conectividade de G ´e k, o problema resume-se `a construção de k árvores geradoras independentes com cada vértice do grafo como raiz de tais árvores. Esse problema permanece em aberto para grafos em geral com conectividade k " 4. No entanto, foi demonstrado que, para um hipercubo de dimensão k, denotado por Qk, existem k árvores geradoras enraizadas em um vértice arbitrário de G. Neste trabalho é proposto um algoritmo para gerar k árvores geradoras independentes sobre hipercubos com o intuito de utilizá-lo na elaboração de técnicas de roteamento eficientes entre os núcleos distintos dos SoCs , assim como emprocessadores de múltiplos núcleos. Dentre as contribuições deste trabalho enfatizamos o consumo reduzido de recursos computacionais utilizados pelo algoritmo proposto, como: memória e processamento; assim como a modificação do algoritmo ECUBE para se construir rotas disjuntas sem que seja necessária a construção completa das árvores geradoras independentes. O algoritmo proposto se comporta de forma similar aos algoritmos comumente utilizados em roteamentos em NoCs, conforme mostrado pela utilização de um simulador de NoCs: Noxim. A construção de árvores geradoras disjuntas tende a seguir um dos dois objetivos: construção eficiente e altura ótima. Este trabalho tem o foco na construção eficiente, sendo que a altura ótima foi um resultado inerente ao método de construção proposto

Avaliação dos Serviços VoIP em Links de Baixa Capacidade com Tráfego Compartilhado de Dados

Esta dissertação descreve os resultados das medições observadas em um dos Laboratórios de uma Operadora de Telecomunicações (LOP), onde foram avaliados e analisados alguns requisitos de QoS em redes de pacotes IP (Internet Protocol). Essas medições foram feitas no âmbito do objetivo desta dissertação que é avaliar formas de prover serviços VoIP (Voice over Internet Protocol) em redes de pacotes conforme a recomendação do padrão FRF.12. Essa rede é assim, uma rede de link de 512kbps que também provê serviços VoIP compartilhados, concorrentemente com dados e serviços multimídia. Dos ítens analisados destacam-se: Análise de Codecs; QoS (Quality Of Service) Diffserv; Compressão de cabeçalho RTP (Real Time Protocol) - cRTP; Fragmentação com intercalação - LFI; Comportamento da Rede em situações diversas; a adequação do software free Multi Generator (MGEN) de geração - medição - coleta de dados, em redes. A análise foi, essencialmente, em enlace Frame Relay nos CPE (Customer Premise Equipment), passando pelo Backbone IP VPN / MPLS Multicast, pois o Frame Relay Fórum v12 (FRF.12) dá suporte à intercalação de voz entre os pacotes de dados. O FRF.12 é indispensável, pois este esta dissertação tem como objetivo realizar um conjuntos de testes e medidas que avaliam a aplicação dos serviços VoIP em links de baixa capacidades com trafego de dados compartilhados. Para oferecer esse serviço e de qualidade é necessário fragmentar e intercalar frames de voz entre os pacotes de dados usando o FRF.12. Depois do estudo teórico das recomendações, normas de padronização internacional e dos fabricantes, foram realizados testes que resultam na validação prática de toda a teoria outrora analisada através de testes específicos que comprovam em definitivo a viabilidade das aplicações VoIP em uma rede de enlace de baixa velocidade. Feitos esses testes chegou-se a conclusão de que em determinados casos não se revela necessário nem preocupante o aumento da banda para se puder prover determinados serviços. Na sequência dos testes foram também avaliados o desempenho, a ocupação da banda e a eficácia dos equipamentos - softwares. Da bancada dos testes e medições, provou-se o seguinte: que de fato consegue-se melhor otimização da banda ao realizar compressão do cabeçalho cRTP; que de fato a fragmentação de pacote FTP (File Transfer Protocol) com intercalação de pacotes VoIP faz reduzir o delay e jitter1 para as aplicações de tempo real; que de fato a habilitação de QoS Intserv provê classificação e faz diferenciação dos tráfegos, e que o CODEC G729 apresenta melhor adequação em lidar com aplicações VoIP em routers2 CISCO, disponível em CRT (Centro de referência Tecnológica) de uma LOP

Eficiência energética em redes ópticas elásticas

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2021.Com o crescimento da Internet e o advento das aplicações emergentes, o consumo energético das redes de núcleo vem ganhando maior destaque na academia e na indústria. O surgimento das Redes Ópticas Elásticas (Elastic Optical Networks – EON) trouxe novas concepções nas operações das redes de núcleo, melhorando sua flexibilidade e eficiência no uso dos recursos. Suas características proporcionam uma maior versatilidade e escalabilidade na alocação do espectro. Tendo em vista que o consumo energético é um fator que está ganhando relevância especial no planejamento e na operação das redes de núcleo, esta Tese dedica-se ao estudo da eficiência energética nas EONs apresentando suas características, modelo de consumo energético e as principais linhas de pesquisa encontradas na literatura sobre eficiência energética em EON. Para isso, propõem-se três estudos que abordam diferentes aspectos relativos à eficiência energética em EON. O primeiro estudo, apresenta uma solução para o problema de roteamento e alocação de espectro com modulação adaptativa (Routing, Modulation Level, and Spectrum Allocation – RMLSA) em EONs translúcidas. Propõe-se um esquema de modulação adaptativa, acoplável a qualquer algoritmo de alocação de espectro EON, que promove eficiência energética através do uso de níveis de modulação mais eficientes. No segundo estudo, uma nova perspectiva para o problema RMLSA é investigada explorando técnicas de agregação de tráfego elétrica e óptica para EONs. Propõe-se um modelo de programação linear inteira que leva em consideração todas as características da arquitetura EON e técnicas de engenharia de tráfego para resolver o problema RMLSA dinâmico com eficiência energética. Por fim, o último estudo, apresenta um algoritmo heurístico para resolução do problema RMLSA translúcido dinâmico com técnicas de agregação de tráfego. A proposta baseia-se em um modelo de grafo auxiliar que melhora o consumo de energia da rede através de políticas de engenharia de tráfego inovadoras. Os resultados obtidos nos estudos apresentados, garantem uma redução significativa na taxa de bloqueio para diversas soluções RMLSA da literatura sem comprometer a eficiência energética da rede.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).With the growth of the Internet and the arising of emerging applications, the energy consumption of core networks has gained greater relevance in academia and industry. The emergence of Elastic Optical Networks (EON) brought new conceptions in the operations of core networks, improving network flexibility and efficiency in the use of resources. Its features provide greater versatility and scalability in spectrum allocation. Considering that energy consumption is a factor that is gaining special relevance for the planning and operation of core networks, this Thesis is dedicated to the study of the energy efficiency in the EON presenting its main characteristics, energy consumption models, and the main research lines found in the literature on energy efficiency in EON. For this, three studies are proposed that address different aspects related to energy efficiency in EON. The first study presents a solution to Routing, Modulation Level, and Spectrum Allocation (RMLSA) problem in translucent EONs. An adaptive modulation scheme is proposed, which can be connected to any EON spectrum allocation algorithm, which promotes energy efficiency through the use of more efficient modulation levels. In the second study, a new perspective for the RMLSA problem is investigated exploring electrical and optical grooming techniques for EONs. A linear programming model is proposed that takes into account all the characteristics of the EON architecture and traffic engineering techniques to solve the dynamic RMLSA problem with energy efficiency. Finally, the last study presents a heuristic algorithm for solving the dynamic translucent RMLSA problem with traffic grooming techniques. The proposal is based on an auxiliary graph model that improves the energy consumption of the network through innovative traffic engineering policies. The results obtained in the studies presented, guarantee a significant reduction in the blocking rate for several RMLSA solutions of the literature without compromising the energy efficiency of the network