Enabling wireless closed loop communication : optimal scheduling over IEEE 802.11ah networks

Industry 4.0 is being enabled by a number of new wireless technologies that emerged in the last decade, aiming to ultimately alleviate the need for wires in industrial use cases. However, wireless solutions are still neither as reliable nor as fast as their wired counterparts. Closed loop communication, a representative industrial communication scenario, requires high reliability (over 99%) and hard real-time operation, having very little tolerance for delays. Additionally, connectivity must be provided over an entire industrial side extending across hundreds of meters. IEEE 802.11ah fits this puzzle in terms of data rates and range, but it does not guarantee deterministic communication by default. Its Restricted Access Window (RAW), a new configurable medium access feature, enables flexible scheduling in dense, large-scale networks. However, the standard does not define how to configure RAW. The existing RAW configuration strategies assume uplink traffic only and are dedicated exclusively to sensors nodes. In this article, we present an integer nonlinear programming problem formulation for optimizing RAW configuration in terms of latency in closed loop communication between sensors and actuators, taking into account both uplink and downlink traffic. The model results in less than 1% of missed deadlines without any prior knowledge of the network parameters in heterogeneous time-changing networks

Strategies for nodes grouping and dynamic resource allocation in IEEE 802.11ah networks

Orientador: Juliana Freitag BorinDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: A integração de diversos dispositivos que possuem ao mesmo tempo alguma capacidade de computação, comunicação, sensoriamento e atuação com um sistema maior como a internet, traz um novo conceito chamado Internet das Coisas. Dentre os desafios desse novo paradigma se destacam aqueles ligados a área de redes e comunicação sem fio, onde novos protocolos vêm surgindo para lidar com o número massivo de dispositivos que estarão conectados e a grande quantidade de dados que serão gerados. Dentre esses protocolos, o padrão IEEE 802.11ah é uma das soluções mais recentes para comunicação dos dispositivos da Internet das Coisas. Esse protocolo apresenta mecanismos para controle de acesso ao meio e economia de energia que dependem do ajuste de parâmetros de configuração para que a rede atinja o desempenho esperado. Na literatura, o mecanismo Restricted Access Window (RAW), que particiona o canal em janelas de tempo dedicadas a diferentes grupos de dispositivos, é amplamente estudado, porém poucos trabalhos consideraram a qualidade de serviço e a heterogeneidade do tráfego inerente à Internet das Coisas. Considerando isso, esta dissertação analisou o desempenho de uma rede baseada no padrão IEEE 802.11ah com dispositivos de diferentes perfis de tráfego em um cenário com grupos de acesso que misturavam esses dispositivos e outro com grupos dedicados a um tipo de tráfego. Os resultados mostraram que a abordagem de separar os nós em grupos dedicados traz melhoras significativas para as principais métricas de qualidade de serviço. Com base nesses resultados, foi proposta uma heurística de ajuste dinâmico da duração das partições da RAW que juntamente com a estratégia de separar os dispositivos por perfis de tráfego promoveu um menor atraso e aumento da vazão principalmente para os dispositivos com maior prioridade de acesso ao meioAbstract: The integration of several devices that have at the same time some computing, communication, sensing and acting capabilities with a larger system like internet brings a new concept called Internet of Things (IoT). Among challenges of this new paradigm are those related to networks and wireless communication where new protocols are emerging to deal with massive number of connected devices and the large amount of data. Thus, IEEE 802.11ah is one of the most recent protocols that appeared as a solution for IoT devices communication. This protocol has medium access control and energy saving mechanisms that depend on configuration parameters adjustment for network to reach expected performance. The Restricted Access Window (RAW) mechanism, which partitions the channel into time windows dedicated to different device groups, is widely studied in the literature, however, few works deal with Quality of Service (QoS) and the inherent traffic heterogeneity of IoT. Taking that into account, this project analyzed the IEEE 802.11ah network performance considering different traffic profiles devices in two scenarios: one with devices mixed in groups and another with groups dedicated to a specific type of traffic. Results showed that the second scenario with dedicated groups can improve some of the main QoS metrics. Based on that, we proposed a new dynamic adjust heuristic for RAW slots duration that combined with the traffic type segregation strategy is able to decrease the delay and increase the throughput mainly for devices with high medium access priorityMestradoCiência da ComputaçãoMestre em Ciência da ComputaçãoCAPE