Convergência de Redes Sem Fios para Comunicações M2M e Internet das Coisas em Ambientes ...

220 Pages·2013·2.61 MB·Portuguese

by  Paulo Torres

UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR
Engenharia

Convergência de Redes Sem Fios para
Comunicações M2M e Internet das Coisas em
Ambientes Inteligentes

Paulo Renato Neves Torres Gouveia

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
(2º ciclo de estudos)

Orientador: Prof. Doutor Fernando José da Silva Velez

Covilhã, outubro de 2013

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“No futuro, os computadores poderão pesar menos do que 1.5 toneladas”
Revista Popular Mechanics, 1949

“Ele não sabia que era impossível. Ele foi lá e fez”
Jean Cocteau

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Agradecimentos

Apesar de toda a dedicação, esforço e imenso trabalho de investigação realizado para tornar
possível o desenvolvimento desta dissertação de mestrado, esta contou com importantes
apoios e incentivos de várias pessoas que sem as quais não se teria tornado uma realidade.
Por isso, quero deixar aqui o meu profundo agradecimento a todos os que acreditaram em
mim e me apoiaram:
Ao Professor Fernando José da Silva Velez, meu orientador, pela cooperação, motivação,
sugestões de ideias e por me ter dado a oportunidade de integrar no grupo de investigação do
Instituto de Telecomunicações da Covilhã.
Ao grupo de investigação do Instituto de Telecomunicações da Covilhã, especialmente ao
Norberto Barroca, Luís Borges e Henrique Saraiva, pela amizade, partilha de conhecimentos,
sugestões e tempo despendido, sem os quais esta dissertação não teria sido possível.
À bolsa de iniciação científica, “Consumo de Energia em Redes de Comunicação sem Fios em
Ambientes Inteligentes: Monitorização e Optimização”, atribuída pelo Instituto de
Telecomunicações no âmbito do PEst-OE/EEI/LAooo8/2011, de 1 de Junho de 2012 a 31 de
Dezembro de 2012.
Ao Instituto de Telecomunicações e à Universidade da Beira Interior por terem disponibilizado
todos os recursos que tornaram esta dissertação possível. Em particular, quero agradecer à
Drª Sara Correia.
Aos projectos, onde estive envolvido: PEst-OE/EEI/LAooo8/2013, PLANOPTI, PROENERGY-
WSN, COST IC1004, COST IC0905 e CREaTION.
Á Susana Palinhas e à sua família pelo apoio, incentivo e carinho neste momento tão
importante da minha vida, e aos quais estarei para sempre grato.
E acima de tudo, a toda a minha família, especialmente aos meus pais e avós, por todo o
amor, suporte, compreensão, segurança e oportunidade que, incondicionalmente, sempre me
deram para eu poder percorrer este caminho, ultrapassar os momentos mais difíceis da minha
vida e continuar a conquistar os meus sonhos.

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Resumo
Actualmente, os Ambientes Inteligentes (AmI) estão a emergir através da convergência entre
as redes de comunicação sem fios, a microelectrónica e a Internet. Este tipo de aplicações
cria novas perspectivas no âmbito da partilha de informação dentro das sociedades humanas,
ao mesmo tempo que surgem ideias inovadoras envolvendo espaços, objectos e entidades
físicas com as quais lidamos diariamente. Com os AmI e as redes de comunicação, a partilha
de informação passa a englobar coisas físicas que geram e disponibilizam dados sobre si
mesmas. Nesta dissertação foram enquadradas as tecnologias de informação e a convergência
entre redes de comunicação sem fios heterogéneas que suportam as aplicações dos AmI.
Daqui surgem dois conceitos extremamente relevantes: a Internet of Things (IoT) e as
comunicações Machine-to-Machine (M2M). A IoT, além de fornecedora de serviços virtuais,
integra objectos físicos com representação virtual, interligados em rede para partilharem
informação sobre vários factores. As comunicações M2M resultam da convergência de redes
heterogéneas que permitem a comunicação directa entre dispositivos e objectos sem
qualquer intervenção humana. A IoT é no fundo a base principal para a interligação das várias
redes M2M entre objectos. As comunicações M2M são formadas por dois tipos de sub-redes:
redes capilares e redes celulares. As redes capilares são compostas pelos dispositivos e os
objectos embutidos nos ambientes inteligentes, que geram e difundem dados. As redes
celulares são a espinha dorsal para a partilha destes dados através da Internet e centros de
dados. As redes de sensores sem fios (RSSF), em conjunto com a norma IEEE 802.15.4, foram
abordadas nesta dissertação para integrarem as redes capilares. As RSSF são redes com ritmos
de transmissão e potência reduzida, que possibilitam o desenvolvimento de uma vasta
variedade de aplicações AmI. Foi elaborado um estudo sobre a eficiência energética dos
dispositivos RSSF disponíveis no mercado. A interligação das RSSF com a Internet é possível
através da atribuição de endereços IPv6 aos dispositivos das RSSF. A camada de adaptação
6LoWPAN possibilita a atribuição de endereços IPv6 com overheads bastante reduzidos. Para
permitir a máxima eficiência das RSSF, integradas com a IoT, foi adoptado o protocolo de
encaminhamento RPL, desenvolvido no âmbito das redes 6LoWPAN. A contribuição principal
desta dissertação centra-se na identificação e resolução de problemas ao nível do
encaminhamento nas RSSFs, e no estudo de algumas métricas utilizadas para calcular o custo
dos encaminhamentos entre nós. O protocolo RPL foi implementado no simulador OMNeT++
com o objectivo de analisar os resultados e os comportamentos das métricas de custo ETX,
HOP-COUNT e RSSI. O ETX atingiu os melhores resultados para o débito binário útil, entre 75 %
e 95 %, enquanto o HOP-COUNT tem resultados abaixo do 50 %. Contudo, o HOP-COUNT tem
tempos de convergência superiores e latências inferiores. Com o RSSI obtêm-se resultados
modestos e provou-se ser esta uma métrica de custo bastante precisa e equilibrada em todos
os resultados.
Palavras-chave
Internet of Things, M2M, redes de sensores sem fios, 6LoWPAN, RPL, métricas de custo
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