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Otimização dos parâmetros de um sistema de comunicação acústica subaquática para minimizar o consumo energético

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, whi...

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Autor principal:	Souza, Fabio Alexandre de
Formato:	Tese
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2017
Assuntos:	Energia elétrica - Consumo Acústica subaquática Códigos corretores de erros (Teoria da informação) Sistemas de comunicação sem fio Sistemas de transmissão de dados Modem Otimização matemática Métodos de simulação Engenharia elétrica Electric power consumption Underwater acoustics Error-correcting codes (Information theory) Wireless communication systems Data transmission systems Modems Mathematical optimization Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2746
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spelling	riut-1-27462017-12-13T13:08:54Z Otimização dos parâmetros de um sistema de comunicação acústica subaquática para minimizar o consumo energético Parameters optimization of an underwater communication system for minimizing energy consumption Souza, Fabio Alexandre de Souza, Richard Demo http://lattes.cnpq.br/6825512654223870 Brante, Glauber Gomes de Oliveira http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Souza, Richard Demo Pellenz, Marcelo Eduardo Noronha Neto, Mário de Chang, Bruno Sens Energia elétrica - Consumo Acústica subaquática Códigos corretores de erros (Teoria da informação) Sistemas de comunicação sem fio Sistemas de transmissão de dados Modem Otimização matemática Métodos de simulação Engenharia elétrica Electric power consumption Underwater acoustics Error-correcting codes (Information theory) Wireless communication systems Data transmission systems Modems Mathematical optimization Simulation methods Electric engineering CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica 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. A theoretical 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. CAPES 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 considerado o uso de códigos convolucionais, cuja taxa ótima que leva ao menor consumo é determinada. Uma análise teórica 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 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. 2017-12-13T13:08:54Z 2017-12-13T13:08:54Z 2016-12-09 doctoralThesis SOUZA, Fabio Alexandre de. Otimização dos parâmetros de um sistema de comunicação acústica subaquática para minimizar o consumo energético. 2016. 76 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2016. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/2746 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR
institution	Universidade Tecnológica Federal do Paraná
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description	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. A theoretical 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.
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