Contributions to Industrial Wireless Sensor Networks

Abstract

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.Palavras-chave: Redes de sensores sem fio industriais; salto em frequência; deslocamento de canal; lista de canais; lógica difusa.