Implementation-Based Evaluation of a Full-Fledged Multihop TDMA-MAC for WiFi Mesh Networks

Wireless mesh networks in general, and WiFi mesh networks in particular, offer a cost-effective option to provide broadband connectivity in sparse regions. Effective support for real-time as well as high throughput applications requires a TDMA-based approach. However, multihop TDMA implementations in wireless have been few and far-between, and for good reasons. These present significant issues in terms of time synchronization, TDMA schedule dissemination, multichannel support, routing integration, spatial reuse and so on. And achieving these efficiently, in the face of wireless channel losses presents a formidable challenge. In this work, we present an implementation of LiT MAC, a full-fledged multihop TDMA MAC, on commodity WiFi platforms. We undertake extensive evaluations using microbenchmarks as well as application level performance, using outdoor as well as indoor testbeds. We also present an integration of LiT MAC with various routing metrics, and a routing stability study of recently proposed routing metrics (ROMA, SLIQ). Our results show that we can achieve mu s granularity time synchronization across several hops, and TDMA slot size as small as 2 ms. These imply low control overheads. Experiments over several days, on our nine-node outdoor testbed shows that LiT MAC's soft-state-based approach is effective in robust operation even in the presence of significant external interference

Wireless Real-Time Communication in Tunnel-like Environments using Wireless Mesh Networks: The WICKPro Protocol

En los últimos años, las redes inalámbricas se están utilizando cada vez más en entornos industriales debido a sus ventajas respecto a redes cableadas: menor coste de instalación, soporte de movilidad, instalación en lugares donde los cables pueden ser problemáticos y mayor facilidad de reconfiguración. Estas redes inalámbricas normalmente deben proporcionar comunicación en tiempo real para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones. Podemos encontrar ejemplos de comunicación en tiempo real con redes inalámbricas para entornos industriales en el campo de la automatización industrial y en el control de procesos, donde redes inalámbricas de radiofrecuencia han sido utilizadas para posibilitar comunicación en tiempo real con un despliegue sencillo. Asimismo, la industria también está interesada en comunicaciones en tiempo real en entornos subterráneos, puesto que existen diversas actividades que se llevan a cabo en escenarios tales como túneles y minas, incluyendo operaciones de minería, vigilancia, intervención y rescate. Las redes inalámbricas malladas (Wireless Mesh Networks, WMNs) representan una solución prometedora para conseguir comunicaci ón en tiempo real en entornos inalámbricos, dado que proporcionan una red troncal inalámbrica formada por encaminadores (routers) que es utilizada por terminales móviles. Sin embargo, las WMNs también presentan algunos retos: la naturaleza multisalto de estas redes causa interferencias entre flujos e interferencias de un flujo consigo mismo, además de que la propagación inalámbrica sufre shadowing y propagación multicamino. El estándar IEEE 802.11 ha sido ampliamente utilizado en redes WMNs debido a su bajo coste y la operación en bandas frecuenciales sin licencia. El problema es que su protocolo de acceso al medio (Medium Access Control, MAC) no es determinista y que sus comunicaciones sufren los problemas del terminal oculto y expuesto. Esta tesis doctoral se centra en el soporte de comunicaciones en tiempo real en entornos tipo túnel utilizando redes WMNs. Con este objetivo, desarrollamos un protocolo MAC y de nivel de red denominado WIreless Chain networK Protocol (WICKPro) que funciona sobre IEEE 802.11. Más concretamente, en este trabajo diseñamos dos versiones de este protocolo para proporcionar soporte de tráfico de tiempo real firme (Firm Real-Time, FRT) y de tiempo real no estricto (Soft Real-Time, SRT): FRT-WICKPro y SRT-WICKPro. Asimismo, proponemos un algoritmo de hand-off conocido como Double-Threshold Hand-off (DoTHa) para el manejo de la movilidad en SRT-WICKPro WICKPro utiliza un esquema de paso de testigo para solventar las interferencias entre flujos y de un flujo consigo mismo, así como los problemas del terminal oculto y expuesto, dado que este esquema no permite que dos nodos transmitan al mismo tiempo. Esta solución es razonable para redes pequeñas donde el re uso espacial es imposible o limitado. Para tratar la naturaleza no determinista de IEEE 802.11, combinamos el esquema de paso de testigo con una planificación cíclica global. Como es habitual en planificación cíclica, el hiperperiodo es dividido en un conjunto de ciclos secundarios. FRT-WICKPro inicia el paso de testigo de forma síncrona para satisfacer estrictamente dichos ciclos secundarios, mientras que SRT-WICKPro implementa un paso de testigo asíncrono y permite sobrepasar los ciclos secundarios, por lo que desacopla los ciclos secundarios reales de los te_oricos. Finalmente, DoTHa lidia con el shadowing y la propagación multicamino. Para abordar el shadowing, DoTHa permite llevar a cabo el proceso de hand-off en la región conectada y en la región de transición de un enlace, mientras que la propagación multicamino es ignorada para el proceso de hand-off porque la potencia recibida es promediada. Nuestras propuestas fueron validadas en experimentos de laboratorio y de campo, así como en simulación. Como un estudio de caso, llevamos a cabo la teleoperación de un robot móvil en dos entornos confinados: los pasillos de un edificio y el túnel del Somport. El túnel del Somport es un antiguo túnel ferroviario fuera de servicio que conecta España y Francia por los Pirineos Centrales. Aunque los robots autónomos son cada vez más importantes, la tecnología no está suficientemente madura para manejar entornos con alto dinamismo como sistemas de fabricación reconfigurables, o para realizar decisiones de vida o muerte, por ejemplo después de un desastre con contaminación radiactiva. Las aplicaciones que pueden beneficiarse de la teleoperación de robots móviles incluyen la monitorización en tiempo real y el uso de maquinaria robotizada, por ejemplo camiones dumper y máquinas tuneladoras, que podrían ser operadas remotamente para evitar poner en peligro vidas humanas.Industrial applications have been shifting towards wireless networks in recent years because they present several advantages compared with their wired counterparts: lower deployment cost, mobility support, installation in places where cables may be problematic, and easier reconfiguration. These industrial wireless networks usually must provide real-time communication to meet application requirements. Examples of wireless real-time communication for industrial applications can be found in factory automation and process control, where Radio Frequency wireless communication technologies have been employed to support flexible real-time communication with simple deployment. Likewise, industry is also interested in real-time communication in underground environments, since there are several activities that are carried out in scenarios such as tunnels and mines, including mining, surveillance, intervention, and rescue operations. Wireless Mesh Networks (WMNs) are promising enablers to achieve wireless real-time communication because they provide a wireless backbone comprised by dedicated routers that is utilized by mobile terminals. However, WMNs also present several challenges: wireless multi-hopping causes inter-flow and intra-flow interferences, and wireless propagation suffers shadowing and multi-path fading. The IEEE 802.11 standard has been widely used in WMNs due to its low cost and the operation in unlicensed frequency bands. The downside is that its Medium Access Control (MAC) protocol is non-deterministic, and that its communications suffer from the hidden and exposed terminal problems. This PhD thesis focuses on real-time communication in tunnel-like environments by using WMNs. Particularly, we develop a MAC and network protocol on top of the IEEE 802.11 standard to provide real-time capabilities, so-called WIreless Chain networK Protocol (WICKPro). Two WICKPro versions are designed to provide Firm Real-Time (FRT) or Soft Real-Time (SRT) traffic support: FRT-WICKPro and SRT-WICKPro. We also propose a hand-off algorithm dubbed Double-Threshold Hand-off (DoTHa) to manage mobility in SRT-WICKPro. WICKPro employs a token-passing scheme to solve the inter-flow and intra-flow interferences as well as the hidden and exposed terminal problems, since this scheme does not allow two nodes to transmit at the same time. This is a reasonable solution for small-scale networks where spatial reuse is impossible or limited. The non-deterministic nature of IEEE 802.11 is faced by combining the token-passing mechanism with a polling approach based on a global cyclic packet schedule. As usual in cyclic scheduling, the hyper-period is divided into minor cycles. FRT-WICKPro triggers the token synchronously and fulfills strictly minor cycles, whereas SRT-WICKPro carries out asynchronous token-passing and lets minor cycles be overrun, thereby decoupling the theoretic and the actual minor cycles. Finally, DoTHa deals with shadowing and multi-path fading. Shadowing is addressed by providing the opportunity of triggering hand-off in the connected and transitional regions of a link, while multi-path fading is neglected for hand-off purposes by smoothing the received signal power. We tested our proposals in laboratory and field experiments, as well as in simulation. As a case study, we carried out the tele-operation of a mobile robot within two confined environments: the corridors of a building and the Somport tunnel. The Somport tunnel is an old out-of-service railway tunnel that connects Spain and France through the Central Pyrenees. Although autonomous robots are becoming more and more important, technology is not mature enough to manage highly dynamic environments such as reconfigurable manufacturing systems, or to make life-and-death decisions, e.g., after a disaster with radioactivity contamination. Applications that can benefit from mobile robot tele-operation include real-time monitoring and the use of robotized machinery, for example, dumper trucks and tunneling machines, which could be remotely operated to avoid endangering human lives