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Título: Análise de eficiência energética de redes cooperativas em ambientes subaquáticos utilizando codificação de rede e OFDMA
Título(s) alternativo(s): Energy efficiency analisys of cooperative networking in underwater environments using network coding and OFDMA
Autor(es): Pereira, Zaqueu Cabral
Orientador(es): Rebelatto, João Luiz
Palavras-chave: Energia elétrica - Consumo
Acústica subaquática
Divisão ortogonal de frequência multiplexada
Sistemas de comunicação sem fio
Teoria da codificação
Otimização matemática
Métodos de simulação
Engenharia elétrica
Electric power consumption
Underwater acoustics
Orthogonal frequency division multiplexing
Wireless communication systems
Coding theory
Mathematical optimization
Simulation methods
Electric engineering
Data do documento: 23-Mai-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: PEREIRA, Zaqueu Cabral. Análise de eficiência energética de redes cooperativas em ambientes subaquáticos utilizando codificação de rede e OFDMA. 2018. 81 f. Tese (Doutorado em Engenharia Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
Resumo: As Redes Acústicas Subaquáticas (UWANs) são utilizadas na coleta de dados e para o monitoramento de diversos tipos de aplicações, desde a indústria off-shore até instalações militares. Da mesma forma que as redes de sensores sem fio terrestres, também é possível explorar a natureza de difusão do canal sem fio e empregar o conceito de comunicações cooperativas para combater o desvanecimento. Em uma rede cooperativa, os nós ajudam uns aos outros, retransmitindo as informações divulgadas por seus parceiros. No entanto, mais do que apenas aumentar a confiabilidade, é necessário também despender esforços para aumentar o tempo de vida da rede, uma vez que não é desejável substituir frequentemente as baterias dos nós sem fio. Assim, neste trabalho é adotada a eficiência energética (em Joules/bit) para avaliar o desempenho de alguns protocolos cooperativos com codificação de rede (NCC) quando comparados à comunicação não cooperativa. Mais especificamente, é considerado um cenário em que o acesso múltiplo é realizado por meio de OFDMA com alocação de subportadora e que estende os resultados de um esquema NCC-OFDMA recentemente proposto. No esquema proposto, referido como codificação de rede dinâmica generalizada (GDNC)-OFDMA, mais do que simplesmente adotar também o domínio do tempo para alcançar a diversidade, também é mostrado que a ordem de diversidade pode ser aumentada ainda mais sobre o esquema NCC-OFDMA, relaxando uma restrição imposta ao NCC-OFDMA onde apenas um conjunto de nós é capaz de transmitir informações redundantes. Os resultados deste trabalho, os quais englobam análise matemática suportada por simulações computacionais e adotam parâmetros reais de modems acústicos, mostram que o esquema GDNC-OFDMA proposto é capaz de apresentar maior eficiência energética em diversos cenários práticos.
Abstract: Underwater Acoustic Networks (UWANs) are used to collect data and to monitor various types of applications, from the offshore industry to military installations. Similarly to terrestrial wireless sensor networks, it is also possible to explore the broadcast nature of the wireless channel and employ the concept of cooperative communications in order to combate the fading. In a cooperative network, nodes help each other by relaying the information broadcasted by their partners. However, more than just increasing reliability, one must also expend efforts towards increasing the network lifetime, since it is not desirable to oftenly reaplace the batteries of the wireless nodes. Thus, in this work we adopt the energy efficiency (in Joules/bit) as performance metric to evaluate some network-coded cooperative (NCC) protocols. More specifically, it is considered a scenario where the multiple access is performed by means of subcarrier allocation-aided OFDMA, extending the results of a recently proposed NCC-OFDMA scheme. In the proposed scheme, referred to as generalized dynamic network coding (GDNC)-OFDMA, more than just achieving diversity from time domain, it is shown that the diversity order can be increased even further, by relaxing a constraint imposed to the NCC-OFDMA scheme that only a set of nodes is able to transmit redundant information. The results of this work, which encompasses mathematical analysis supported by computer simulations, adopt real acoustic modems parameters, show that the proposed GDNC-OFDMA scheme is capable of present improved energy efficiency in several practical scenarios.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3397
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