Cross layer analysis of interference effects in wireless systems

Wireless communication systems are nowadays employed in many fields. The research effort beneath this work is to investigate one of the main issues in a radio communication system: interference. Devices operating in the 2.4 GHz unlicensed Industrial, Scientific and Medical (ISM) band are considered and, in particular, wireless sensors networks compliant to IEEE 802.15.4 standard are used to evaluate performance indices in the presence of interference. The analysis starts from a real wireless control application and a RF power meter application: a complete perspective involving theoretical formulas, simulations and experimental results is given. A cross layer approach for CSMA/CA based devices, merging interference effects at PHY and MAC layer, is presented. Subsequently effects of interference on channel status evaluation and RSSI circuitry are faced and, finally, the feasibility of a low cost RF power meter is discussed. The purpose of the work is to understand interference phenomena, using a real life test bed and a complex set of interferers comprising both arbitrary signal generators and real wireless networks. The interaction of interference with a device is manifold: it involves physical layer, hardware and protocols. The final aim of this work is to provide protocol and hardware designers with a set of performance metrics and perspectives useful to improve wireless devices’ behavior against interference.

Oggigiorno i sistemi di comunicazione wireless hanno un impiego assai vasto. Questo lavoro di ricerca si propone di investigare una delle maggiori problematiche per una comunicazione radio: l’interferenza. Vengono considerati alcuni dispositivi operanti nella banda libera ISM a 2.4 GHz e, in particolare, vengono utilizzate reti di sensori wireless aderenti allo standard IEEE 802.15.4 per la valutazione di indici di prestazioni in presenza di interferenza. L’analisi parte da un’applicazione di controllo wireless e da una applicazione per la misura della potenza a radiofrequenza. Viene di seguito presentato, per i dispositivi basati su CSMA/CA, un approccio cross-layer per un’analisi congiunta degli effetti delle interferenze a livello PHY e a livello MAC. Di seguito vengono affrontati gli effetti dell’interferenza sulla valutazione dell’occupazione di canale e sulla circuiteria di RSSI e, infine, viene discussa la fattibilità di un misuratore di potenza RF a basso costo. Lo scopo della tesi è comprendere i fenomeni d’interferenza utilizzando un test bed reale e un complesso sistema di interferenze sia provenienti da generatori di segnale sia da reti wireless reali. L’interazione dell’interferenza con un dato dispositivo è molteplice: coinvolge il livello fisico, l’hardware e i protocolli. L’obiettivo finale è fornire ai progettisti dell’hardware e dei protocolli un insieme di metriche di prestazione e prospettive utili a migliorare il comportamento dei sistemi wireless contro l’interferenza.