Estratégias para uso de redes industriais sem fio do tipo TSCH em aplicações de mobilidade

A utilização de redes sem fio para aplicações industriais surge como uma alternativa para os sistemas cabeados por apresentarem características como flexibilidade de ampliação ou atualização de dispositivos na rede e facilidade de instalação e manutenção. Protocolos de comunicação para redes sem fio industriais, como WirelessHART, foram desenvolvidos para atender a requisitos de operação do setor industrial garantindo entrega de mensagens em tempo real, segurança e confiabilidade. O protocolo WirelessHART foi desenvolvido para atender aplicações de automação de processos, onde as variáveis do processo são alteradas de forma lenta. Quando inseridos elementos de alta dinamicidade, como a presença de dispositivos móveis ou intermitentes, como nos processos de automação fabril, há um impacto negativo no desempenho destas redes devido à rápida mudança de topologia que não é prevista neste protocolo, e que resultam na redução da taxa de sucesso de transmissões. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta a análise dos requisitos e a implementação de dispositivos móveis ou intermitentes e gerenciadores de rede em conformidade com a técnica TSCH (Time Synchronized Channel Hopping), como a empregada no WirelessHART. São propostas modificações em procedimentos do protocolo utilizado como base, visando fornecer o suporte a dispositivos móveis que incluem técnicas para agilizar o processo de conexão e desconexão e manter a conectividade do dispositivo enquanto ele se movimenta pela área de cobertura da rede. Os resultados revelam a viabilidade das técnicas propostas, porém, em detrimento de algumas características fundamentais, tais como segurança e baixo consumo de energia. Para mitigar os problemas gerados, são apresentadas propostas a serem implementadas em trabalhos futuros.The use of wireless networks for industrial applications appears as an alternative for wired systems due to its characteristics such as flexibility to add or remove devices on the network and ease of maintenance and installation. Communication protocols for industrial wireless networks, such as WirelessHART, were developed to meet the operating requirements of the industrial sector ensuring real-time communications, security and reliability. The WirelessHART protocol was developed to operate in process automation applications, where process variables are changed slowly. When high dynamics elements are inserted in these networks, such as the presence of mobile or intermittent devices, as seen in factory automation processes, there is a negative impact on the performance of these networks due to the fast topology change that is not supported in this protocol, resulting in the reduction of success rate of transmissions. In this context, this work presents the analysis of requirements and the implementation of mobile or intermittent devices and network managers in accordance with the TSCH (Time Synchronized Channel Hopping) technique, which is used in WirelessHART. Modifications to the procedures of the protocol used as a basis are proposed, aiming to provide support for mobile devices including techniques to reduce time in processes as connection and disconnection and maintain the connectivity of the device while it moves through the network coverage area. The results show the feasibility of the proposed techniques, however, to the detriment of some fundamental characteristics, such as safety and low energy consumption. In order to mitigate the problems generated, proposals are presented to be implemented in future works

Redução de sinalização e agendador de recursos periódicos para redes industriais M2M

Devido à introdução de novas funcionalidades e aplicações M2M (Machine-to-Machine) na indústria, novos dispositivos precisarão ser conectados às redes de comunicação existentes, coexistindo com os atuais. As novas tecnologias de comunicação móvel, que ainda estão em processo de padronização, prometem cumprir com os requisitos de comunicação exigidos pelos sistemas de automação industrial. Portanto, esta tese tem como principal contribuição analisar a comunicação industrial M2M, sua viabilidade, implantação, características, limitações e se é adequada para os cenários, requisitos e exigências industriais. Além disso, também é realizado o desenvolvimento de um algoritmo de agendamento para dispositivos que necessitam de recursos periódicos de rede. Esse algoritmo tem o objetivo de reduzir a sinalização de rede, aumentar a capacidade de transmissão de dados, ou ainda, aumentar o número de dispositivos operantes na rede industrial. Os métodos propostos são validados usando uma estrutura de simulação LTE-A e métricas de rede tais como: atraso e jitter as quais são usadas para comparar o desempenho da abordagem proposta com os atuais agendadores de última geração. Os resultados mostram que a aplicação do agendador de recursos cíclicos e o esquema de redução de sinalização juntos podem melhorar a função de utilização do sistema bem como a satisfação dos usuários.Due to the introduction of new M2M (Machine-to-Machine) functionalities and applications in the industry, new devices will need to be connected to existing communication networks, coexisting with current ones. The new mobile communication technologies, which are still in the standardization process, promise to comply with the communication requirements demanded by industrial automation systems. Therefore, this thesis has as its main contribution to analyze the M2M communication, its feasibility, implantation, characteristics, limitations and if it is adequate for the scenarios, requirements and industrial needs. In addition, it is also developed a scheduling algorithm for devices that use periodic network resources. This algorithm aims to reduce network signaling, increase data transmission capacity, or increase the number of devices operating in the industrial network. The proposed methods are validated using a LTE-A simulation framework and network metrics such as delay and jitter, which are used to compare the performance of the proposed approach with the current state-of-the-art schedulers. The results show that the application of the cyclic resource scheduler and the signaling reduction scheme together can improve the system’s utilization function as well as user satisfaction