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CPGEI (Doutorado): Fábio Alexandre de Souza-09/12/16

Defesa Pública de Doutorado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
Quando 09/12/2016
das 13h00 até 17h00
Onde Sede Central: Sala C-301
Nome do Contato Prof. Richard Demo Souza
Participantes Prof. Richard Demo Souza, Dr. Orientador - UTFPR
Prof. Glauber Gomes de Oliveira Brante, Dr. Co-orientador - UTFPR
Banca examinadora:
Prof. Richard Demo Souza, Dr. Presidente - UTFPR
Prof. Marcelo Eduardo Pellenz, Dr. - PUCPR
Prof. Mario de Noronha Neto, Dr. - IFSC
Prof. Hermes Irineu Del Monego, Dr. - UTFPR
Prof. Bruno Sens Chang, Dr. - UTFPR
Examinador Suplente: Prof. João Luiz Rebelato, Dr. - UTFPR
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Otimização dos parâmetros de um sistema de comunicação acústica subaquática para minimizar o consumo energético

Resumo: Nesta Tese de Doutorado propõe-se um modelo de consumo de energia para redes acústicas subaquáticas que leva em consideração as especificidades do ambiente subaquático, como a comunicação utilizando ondas acústicas, a dependência da largura de banda do canal com a perda de percurso, que varia tanto com a distância quanto com a frequência, e o ruído. O desvanecimento, resultado do multipercurso, normalmente modelado pelas distribuições Rayleigh e Rice nas transmissões terrestres, é ́modelado pela distribuição K, que melhor representa a severidade do ambiente subaquático. O modelo considera uma rede subaquática linear de múltiplos saltos e a possibilidade de retransmissões para calcular a energia total consumida para cada bit de informação transmitido com sucesso entre a fonte e o destino. A fim de obter o menor consumo de energia, a SNR e a frequência de operação também são otimizadas, sendo também considerado o uso de codigos convolucionais, cuja taxa ótima que leva ao menor consumo também é determinada. Uma análise analítica é desenvolvida para cenários com e sem limitação ̃de atraso. No primeiro caso avalia-se o consumo de energia quando retransmissões não são permitidas ou devem ser limitadas e, portanto, uma FER residual deve ser tolerada. No segundo caso infinitas retransmissões são permitidas até que um pacote seja recebido sem erros. Para ambos cenários o número ótimo de saltos que minimiza o consumo de energia é determinado, e na sequência o impacto do número de tentativas de transmissão é considerado. Resultados numéricos também são apresentados, mostrando que o esquema de múltiplos saltos é mais eficiente em termos de consumo de energia que a transmissão direta. Além disso, os resultados mostram que um número pequeno de tentativas de transmissão é suficiente para alcançar uma redução considerável no consumo de energia em redes de múltiplos saltos, limitando o atraso médio por pacote transmitido, o que é muito interessante em aplicações reais. Finalmente, compara-se os resultados com o cenário mais conhecido das redes de sensores sem fio terrestres, mostrando que uma modelagem adequada para o cenário subaquático, em vez de inferir resultados mais conhecidos das redes terrestres, é fundamental para se obter um projeto eficiente em termos de consumo de energia.
Palavras-chave: Eficiência Energética, Redes Acústicas Subaquáticas, Códigos Corretores de Erros.

Parameters optimization of an underwater communication system for minimizing energy consumption

Abstract: In this Thesis, an energy consumption model for underwater acoustic networks is proposed. The model takes into account the specificities of the underwater environment, such as the use of acoustic waves for communication, dependence of the underwater acoustic channel bandwidth with the path loss, which varies with both the distance and frequency, and noise. The fading, usually modeled by Rayleigh and Rice distributions on terrestrial communications, in this work, is modeled by the K distribution, which best represents the severity of the underwater environment. The model considers a linear multi-hop underwater network and the possibility of retransmissions to calculate the total energy consumed for each bit of information successfully transmitted between the source and the destination. In order to obtain the minimum energy, the SNR and the operating frequency are also optimized. The use of convolutional codes is considered and the optimal code rate, which leads to the minimum energy consumption, is determined. An analytical analysis was developed for two scenarios: delay constrained and delay unconstrained networks, indicating the optimal number of hops which minimizes energy consumption. Next, the impact of the number of transmission trials was considered. A numerical analysis was also performed for both the scenarios. The numerical results validate the theoretical analysis, showing that the multi-hop scheme is more efficient in terms of energy consumption when compared to direct transmission. Furthermore, the results show that a small number of transmission trials is sufficient to achieve a considerable reduction in energy consumption in multi-hop networks, limiting the average delay per packet transmitted, which is very interesting in real applications. Finally, we compare the results with the best-known scenario of terrestrial wireless sensor networks, showing that an adequate modelling for the underwater case - instead of inferring known results of terrestrial networks - is essential to obtaining an efficient design in terms of energy consumption.
Keywords: Energy Efficiency, Underwater Acoustic Networks, Error Correcting Codes.

Lista de publicações:

SOUZA, F. A. de et al. Code rate, frequency and SNR optimization for energy efficient underwater acoustic communications. In: IEEE Int. Conf. Commun. (ICC). [S.l.: s.n.], 2015. p. 6351–6356.

SOUZA, F. A. de et al. Code rate optimization for energy efficient delay constrained underwater acoustic communications. In: IEEE OCEANS Genova. [S.l.: s.n.], 2015. p. 1–4.

SOUZA, F. A. de et al. Optimizing the number of hops and retransmissions for energy efficient multi-hop underwater acoustic communications. IEEE Sensors Journal, v. 16, n. 10, p. 3927– 3938, May 2016. ISSN 1530-437X.

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