Tesis:
Contributions to Industrial Wireless Sensor Networks
- Autor: VERÁS DE QUEIROZ, Diego
- Título: Contributions to Industrial Wireless Sensor Networks
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: INGENIERIA AUDIOVISUAL Y COMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/71238/
- Director/a 1º: BENAVENTE PECES, César
- Resumen: Avanços recentes nas redes de sensores sem fio (WSN), especialmente em ambientes industriais (IWSN), trouxeram melhorias importantes para implantação de uma rede de sensores nesses ambientes. No entanto, há um alto nível de interferência, ruído, sombreamento e desvanecimento por múltiplos percursos na indústria, causados por máquinas, objetos metálicos e obstruções, que podem afetar a qualidade do enlace. Alguns mecanismos foram propostos para mitigar os efeitos negativos, como salto de frequência e lista negra de canais. No entanto, ainda existem questões em aberto, como um método apropriado de gerenciar ambos os mecanismos para evitar canais similares ou adjacentes em transmissões simultâneas. O uso de um estimador de qualidade de enlace (LQE), com uma atribuição adequada de canais, ajuda a aumentar o desempenho da rede. Além do uso de estimadores, esta tese propõe duas abordagens que separam os canais de acordo com o perfil temporário de cada um e os insere em listas. O objetivo é lidar melhor com os efeitos negativos do ambiente no meio de transmissão. A primeira usa lista dupla de canais (adequados e inadequados), e a segunda utiliza uma lista tripla de canais (adequados, inadequados e cinza). Em ambas foi levado em consideração o gerenciamento do deslocamento do canal (channel offset), de maneira a evitar colisões e diminuir a interferência interna em transmissões simultâneas. A lista de canais inadequados apresenta canais de baixa qualidade, a lista cinza possui canais com qualidade incerta, e a lista de canais adequados possui canais com boa qualidade. Um método de lógica difusa foi utilizado na abordagem com lista tripla para classificar os canais na lista mais adequada. As duas propostas foram comparadas por meio de simulação utilizando o método de salto em frequência baseado no protocolo TSCH do padrão IEEE 802.15.4e para WSN. No estudo, foram analisadas redes nas topologias em estrela e em árvore, com e sem estimadores de qualidade, com e sem colisões, utilizando um modelo de canal realista para IWSN. Os resultados dos experimentos mostraram que na topologia em árvore as abordagens com lista dupla e tripla apresentaram um melhor desempenho do que a abordagem sem estimadores de qualidade, em termos de taxa de entrega de pacotes e determinismo, e que a lista tripla superou a lista dupla em redes mais dinâmicas. Na topologia em estrela, quanto maior o tamanho da lista de canais inadequados, melhor o desempenho da rede, pois os dispositivos utilizam apenas os melhores canais. ----------RESUMEN---------- Los avances recientes en redes de sensores inalámbricos (WSN), especialmente en entornos industriales (IWSN), han traído mejoras importantes para el despliegue de redes inalámbrica de sensores en estos entornos. Sin embargo, en estos entornos existe un alto nivel de interferencia, ruido, zonas de sombra y desvanecimiento, propagación multitrayecto en el entorno industrial, causados por reflexiones en maquinaria, objetos metálicos y elementos propios de la construcción, que afectan a la calidad del enlace. Se han propuesto algunos mecanismos para mitigar los efectos negativos de dichas perturbaciones, como el salto de frecuencia y la lista negra de canales. Sin embargo, todavía hay preguntas y líneas de investigación abiertas, como el desarrollo de un método apropiado para gestionar simultáneamente ambos mecanismos para evitar transmisiones simultáneas canales similares o adyacentes susceptibles de interferirse. El uso de un estimador de calidad de enlace (LQE) con asignación del canal más adecuado ayuda a mejorar la calidad de la red. Además del uso de estimadores, esta tesis propone dos enfoques que separan los canales de acuerdo con el perfil temporal de cada uno y los insertan en listas ordenadas. El objetivo es tratar de paliar los efectos negativos producidos por el entorno que afectan al medio de transmisión. El primero usa una lista de canales dobles (blanco y negro, o más bien, adecuado e inadecuado), y el segundo usa una lista triple de canales (blanco, negro y gris, o más bien, adecuado, inadecuado y gris). En ambos, se tuvo en cuenta la gestión de la amplitud del salto de canal (channel offset), para evitar colisiones y de este modo reducir la interferencia intra-red en transmisiones simultáneas. La lista de canales inapropiados ordena canales de baja calidad, la lista gris tiene canales con calidad incierta y la lista de canales adecuados, es decir, que lista tiene canales con buena calidad. Para la clasificación de los canales en la lista más apropiada se ha empleado un método basado en lógica difusa en la solución propuesta basada en el uso de la triple lista. Con el fin de su validación, las dos propuestas se compararon mediante simulación utilizando el método de salto de frecuencia basado en el protocolo TSCH del estándar IEEE 802.15.4e para WSN. En el estudio, se analizaron redes en topologías en estrella y árbol, con y sin estimadores de calidad, con y sin colisiones, utilizando un modelo de canal realista para IWSN. Los resultados de los experimentos mostraron que en la topología en árbol, las soluciones propuestas basada en lista doble y triple presentaron un mejor comportamiento que el enfoque sin estimadores de calidad, en términos de tasa de entrega de paquetes y determinismo, y que la solución basada en la lista triple superó a la basada en la lista doble en redes más dinámicas. En el caso de la topología en estrella, cuanto mayor sea la lista de canales inapropiados, mejor será el rendimiento de la red, ya que los dispositivos usan solo los mejores canales. ----------ABSTRACT---------- Recent advances in wireless sensor networks (WSN), especially in industrial environments (IWSN), have brought important improvements for the deployment of a sensor network in such environments. However, there is a high level of interference, noise, shadowing, and multipath fading in industry, caused by machinery, metallic objects and obstructions, which can affect the quality of the link. Some mechanisms have been proposed to mitigate the negative effects, such as frequency hopping and channel blacklisting. However, there are still open issues, such as an appropriate method of managing both mechanisms to avoid similar or adjacent channels in simultaneous transmissions. The use of a link quality estimator (LQE), with adequate channel assignment, helps to increase network performance. In addition to the use of estimators, this thesis proposes two approaches that separate the channels according to the temporary profile of each one and insert them into lists. The aim is to better deal with the negative effects of the environment on the transmission medium. The first uses a double channel list (alowlist and denylist), and the second uses a triple list of channels (denylist, greylist, and alowlist). In both, the management of channel offset was considered to avoid collisions and reduce internal interference in simultaneous transmissions. The denylist has low quality channels, the greylist has channels with uncertain quality, and the alowlist has good quality channels. A fuzzy logic method was used in the triple list approach to classify the channels in the most appropriate list. The two proposals were compared by means of simulation using the frequency hopping method based on the TSCH protocol of the IEEE 802.15.4e standard for WSN. In the study, networks in star and tree topologies were analyzed, with and without link quality estimators, with and without collisions, using a realistic channel model for IWSN. The results of the experiments showed that in the tree topology the approaches with double and triple list presented better performances than the approach without link quality estimators, in terms of package delivery rate and determinism, and that the triple list surpassed the double list in more dynamic networks. In star topology, the larger the size of the denylist, the better the network performance, as the devices use only the best channels.