Industrial Wireless Sensor Networks - Simulation and measurement in an interfering environment

Recently the research community is considering with a growing interest the adoption of IWSNs in application contexts such as real-time (industrial) communications and distributed measurement systems. These types of applications typically impose very tight equirements to the underlying communication systems and, moreover, they might have to cope with the intrinsic unreliability of wireless networks. It is hence needed an accurate characterization of these networks' behavior, from a metrological point of view. Suitable measurement systems have to be realized, and experiments performed aimed at evaluating some of the most appropriate performance indicators. Unfortunately, despite the appealing opportunities provided by IWSNs, their adoption is just at its beginning. It is clear that a comprehensive experimental analysis of their behavior would improve theoretical analysis, simulations and design of the network, since the consequent increased accuracy of models could reduce the source of difference between real and expected behaviors. With the work presented in this thesis the author would provide some original contribution in the field of measurements on real-time wireless networks adopted for industrial communications and distributed measurement systems. In this context, one of the most relevant aspect to be considered is represented, as described in the literature, by interference that possibly arises from "intentional" communications taking place in external systems. In order to address such an issue, some simulation techniques have been considered. As a result, they lead to the development of a network simulator software tool that enabled a cross-layer analysis of interference. This activity stimulated an in-depth study of the IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11 communication protocols. Particularly, medium access techniques have been analyzed in the perspective of IWSN applications. On this basis new and effective methods for increasing the network reliability have been proposed, along with fair packet retransmission scheduling methods. Moreover, new rate adaptation algorithms for wireless networks specifically designed for real-time communication purposes, exploiting the high robustness of low transmission rates have been proposed. Finally, since the reliability of a network strongly depends on the real behavior of the employed devices, an experimental approach for the measurement of the devices characteristics is presented, with the aim of providing suitable models and methods for designers.

La comunità scientifica, recentemente, sta considerando con sempre maggiore interesse l'adozione di reti di sensori wireless in contesti come le comunicazioni real-time (industriali) e i sistemi di misura distribuiti. Queste applicazioni richiedono tipicamente, al sistema di comunicazione, di soddisfare requisiti molto stringenti, considerando anche l'intrinseca inaffidabilità del canale radio. Risulta quindi necessaria un'accurata caratterizzazione, in termini metrologici, del comportamento di questa tipologia di reti, tramite sistemi di misura adatti alla valutazione dei più appropriati indici di prestazioni. Sfortunatemente, infatti, l'impiego di questi sistemi è ancora agli inizi, nonostante le interessanti prospettive applicative fornite dalle reti wireless real-time. Appare quindi chiaro come un'accurata caratterizzazione sperimentale del loro comportamento reale migliorerebbe sensibilmente l'efficacia delle analisi teoriche, delle simulazioni e di conseguenza del progetto della rete, risultando incrementata l'accuratezza dei modelli teorici e limitate le sorgenti di deviazione tra i risultati attesi e quelli sperimentali. Con il lavoro presentato in questa tesi, l'autore intende fornire contributi originali nel campo delle misure sulle reti wireless real-time adottate per comunicazioni industriali e sistemi di misura distribuiti. In questo contesto, uno dei principali aspetti da considerare, come si evince dalla letteratura, è dato dall'interferenza dovuta a comunicazioni "intenzionali" da parte di sistemi esterni. Per affrontare quest'analisi si sono inizialmente valutate alcune tecniche di simulazione. Questo ha portato allo sviluppo di un software di simulazione per reti di comunicazione specificamente progettato per l'analisi cross-layer dei fenomeni d'interferenza. Quest'attività ha stimolato uno studio approfondito dei protocolli di comunicazione IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11. Nell'ottica del loro impiego per reti wireless real-time, particolare enfasi è stata rivolta alle tecniche di accesso al mezzo specificate nei citati standard. Sulla base di quest'analisi, sono stati proposti alcuni metodi originali per incrementare l'affidabilità di questi sistemi, considerando ad esempio nuove politiche di ritrasmissione per reti basate su polling ciclico. Inoltre sono stati proposti nuovi algoritmi per l'adattamento automatico del rate di trasmissione per reti IEEE 802.11, progettati per l'impiego specifico in un contesto di reti real-time. Infine, considerando che l'affidabilità di una rete in questo contesto dipende strettamente dal comportamento fisico dei componenti impiegati, viene proposto un approccio sperimentale per la misura e caratterizzazione dei ritardi introdotti dai dispositivi di rete, allo scopo di fornire metodi e modelli adeguati in un contesto di progettazione di rete.