Desenvolvimento de sistemas de comunicações codificados por wavelets e baseados no padrão IEEE 802.15.4 para sistemas de controle por redes de sensores sem fio industrial

dc.contributor.advisorSalazar, Andrés Ortiz
dc.contributor.advisor-co1Silveira, Luiz Felipe de Queiroz
dc.contributor.advisor-co1ID02863206494pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4139452169580807pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7865065553087432pt_BR
dc.contributor.authorGama, Felipe Oliveira Simões
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4633733309356225pt_BR
dc.contributor.referees1Villarreal, Elmer Rolando Llanos
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5447452711376721pt_BR
dc.contributor.referees2Fernandes, Jefferson Doolan
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/9721169496369295pt_BR
dc.contributor.referees3Semente, Rodrigo Soares
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/3146456370581663pt_BR
dc.contributor.referees4Sousa Júnior, Vicente Ângelo de
dc.contributor.referees4Latteshttp://lattes.cnpq.br/6358312955522220pt_BR
dc.date.accessioned2021-10-18T19:54:00Z
dc.date.available2021-10-18T19:54:00Z
dc.date.issued2021-06-24
dc.description.abstractWith the advent of Industry 4.0, wireless communication has become a trend towards transmitting signals in industrial environments, saving resources and enabling new applications when compared to wired communication systems. In this context, data transmission between sensor and controller within control loops that use nodes interconnected by wireless link is susceptible to the degenerative effects produced by multiple propagation paths. However, most industrial wireless sensor network standards do not provide any error correction control, which would be useful to improve reliability and efficiency. In order to minimize these destructive effects characteristic of wireless channels, several techniques have been investigated recently. In order to minimize these destructive effects characteristic of wireless channels, several techniques have been investigated recently. Among them, wavelet coding is a good alternative for nodes interconnected by wireless link, due to its robustness to the effects of the wireless channel and its low computational complexity. This work is based on an approach that explores wavelets matrices for the design of finite impulse response filters used in encoding the complex signals generated by the physical layer of the IEEE 802.15.4 protocol. With this, a new transmission system is proposed that is still based on the IEEE 802.15.4 protocol, which allows maintaining the interoperability with legacy systems and still achieving superior performance regarding the necessary requirements for the establishment of control systems over networks wireless. Specifically, the proposed system increases communication reliability and decreases retransmission events caused by errors caused by the wireless channel on the transmitted data packets. In particular, the communication delays derived from these retransmission events seriously interfere with the control system, as they do not guarantee the temporal restrictions of the control signal. Furthermore, an important point regarding the performance of the proposed system is the possibility of improving communication reliability without decreasing spectral efficiency. Allied to this, the proposed system also allows an adaptive performance in terms of the encoding rate and parameters of the wavelet matrix, without a significant increase in implementation complexity. The proposed communication system was implemented using the concept of radio defined by software in the GNU Radio development environment, in order to demonstrate the feasibility of implementing the proposed system in a real communication system. The performance of the communication system was evaluated in terms of bit error rate versus Eb/N0 and spectral efficiency, considering a time-varying channel model with flat Rayleigh fading. Furthermore, the effects of the transmission system were considered in the controllability analysis of a control system.pt_BR
dc.description.resumoCom o advento da Indústria 4.0, a comunicação sem fio se tornou uma tendência para a transmissão de sinais em ambientes industriais, poupando recursos e possibilitando novas aplicações quando comparada com sistemas de comunicações cabeados. Nesse contexto, a transmissão de dados entre sensor e controlador dentro de malhas de controle que utilizam nós interconectados por enlace sem fio fica susceptível aos efeitos degenerativos produzidos pelos múltiplos percursos de propagação. No entanto, a maioria dos padrões das redes de sensores sem fio industrial não fornecem nenhum controle de correção erro, o que seria útil para melhorar a confiabilidade e eficiência. Com o objetivo de minimizar esses efeitos destrutivos característicos dos canais sem fio, várias técnicas têm sido investigadas recentemente. Dentre elas, a codificação wavelet se apresenta como uma boa alternativa para os nós interconectados por enlace sem fio, devido a sua robustez aos efeitos do canal sem fio e por sua baixa complexidade computacional. Este trabalho é baseado em uma abordagem que explora as matrizes wavelets para o projeto de filtros de resposta ao impulso finito (Finite Impulse Response - FIR) utilizados na codificação dos sinais complexos gerados pela camada física do protocolo IEEE 802.15.4. Com isso, é proposto um novo sistema de transmissão que ainda é baseado no protocolo IEEE 802.15.4, o que permite manter a interoperabilidade com sistemas legados e ainda alcançar desempenho superior a esses quanto aos requisitos necessários para o estabelecimento de sistemas de controle por redes sem fio. Especificamente, o sistema proposto aumenta a confiabilidade da comunicação e diminui os eventos de retransmissão por erros provocados pelo canal sem fio sobre os pacotes de dados transmitidos. Em particular, os atrasos de comunicação derivados destes eventos de retransmissão interferem gravemente no sistema de controle, por não garantir as restrições temporais do sinal de controle. Além disso, um ponto importante quanto ao desempenho do sistema proposto é a possibilidade de melhorar a confiabilidade da comunicação sem diminuição da eficiência espectral. Aliado a isso, o sistema proposto também possibilita uma atuação adaptativa em termos da taxa de codificação e parâmetros da matriz wavelet, sem aumento significativo da complexidade de implementação. O sistema de comunicação proposto foi implementado utilizando o conceito de rádio definido por software no ambiente de desenvolvimento GNU Radio, com objetivo de demonstrar a viabilidade da implementação do sistema proposto em um sistema real de comunicação. O desempenho do sistema de comunicação foi avaliado em termos de probabilidade de erro de bit (bit error rate, BER) versus Eb/N0 e de eficiência espectral, considerando um modelo de canal variante no tempo com desvanecimento Rayleigh plano. Além disso, os efeitos do sistema de transmissão foram considerados na análise de controlabilidade de um sistema de controle.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.identifier.citationGAMA, Felipe Oliveira Simões. Desenvolvimento de sistemas de comunicações codificados por wavelets e baseados no padrão IEEE 802.15.4 para sistemas de controle por redes de sensores sem fio industrial. 2021. 132f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/44627
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃOpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectSistemas de comunicação sem fiopt_BR
dc.subjectFiltragem Waveletpt_BR
dc.subjectDiversidade temporalpt_BR
dc.subjectDesvanecimento Rayleighpt_BR
dc.titleDesenvolvimento de sistemas de comunicações codificados por wavelets e baseados no padrão IEEE 802.15.4 para sistemas de controle por redes de sensores sem fio industrialpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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