Analysis of the impact of wireless mobile devices in critical industrial

Zusammenfassung

El objetivo principal de la tesis es estudiar el impacto de los nodos móviles en las aplicaciones inalámbricas industriales con requisitos estrictos de tiempo y robustez tanto para topologías centralizadas como descentralizadas. Este objetivo supone un gran desafío dadas las adversas condiciones del canal inalámbrico en los entornos industriales. Para no comprometer el rendimiento del sistema, es necesario un protocolo de comunicación determinista y con garantías de tiempo real, junto con un mecanismo para hacer frente a los cambios en la topología debido al movimiento de los dispositivos inalámbricos. Las tecnologías estándar inalámbricas existentes no satisfacen los requisitos exigidos por las aplicaciones industriales más críticas, como los Sistemas de Control Distribuido (DCS - Distributed Control Systems) y, por lo tanto, las comunicaciones cableadas no pueden ser reemplazadas directamente por soluciones inalámbricas. Sin embargo, la adopción de las comunicaciones inalámbricas puede verse como una extensión de las redes cableadas existentes con el objetivo de crear redes híbridas con requisitos de movilidad. El diseño de una solución de comunicación adecuada depende principalmente de la elección del protocolo de control de acceso al medio (MAC - Medium Access Control), el cual, desempeña un papel vital en la disminución de la latencia y del número de paquetes erróneos. Además, los cambios en la topología debidos al movimiento de los dispositivos inalámbricos deben gestionarse correctamente para que el rendimiento de toda la red no se vea afectado. En esta tesis doctoral se propone y se evalúa una arquitectura híbrida centralizada diseñada para aplicaciones industriales con requisitos estrictos de robustez, determinismo y tiempo real. Para ello, se propone un esquema MAC inalámbrico con garantías de tiempo real basado en la capa física IEEE 802.11 junto con un esquema MAC basado en Ethernet en tiempo real (RTE - Real-Time Ethernet). Este esquema híbrido garantiza una comunicación continua entre ambos medios de comunicación. Con el objetivo de incluir dispositivos móviles en la arquitectura propuesta, se propone y evalúa un algoritmo de soft-handover. Este algoritmo garantiza una comunicación ininterrumpida durante el proceso de handover sin la necesidad de una segunda interfaz de radio y con un aumento reducido de la sobrecarga de la red. Finalmente, se analiza el impacto de los nodos móviles en una topología inalámbrica descentralizada. Para ello, se evalúa el protocolo del estado del arte Self-Organizing Time Division Multiple Access (STDMA) con el objetivo de analizar su viabilidad como alternativa para realizar un handover en las aplicaciones industriales sin sistemas centralizados.