Protocolos de Comunicación para Redes Inalámbricas Industriales con Movilidad

Abstract

Las redes inalámbricas industriales están llamadas a ser uno de los pilares tecnológicos fundamentales de la Industria 4.0. Estas redes han sido desarrolladas para operar en condiciones de comunicación adversas, como las que pueden encontrarse en ciertos entornos industriales, y para proporcionar elevados niveles de fiabilidad y baja latencia en las comunicaciones. Sin embargo, un completo desarrollo de los sistemas cooperativos y cognitivos de la Industria 4.0 requiere que las redes inalámbricas industriales soporten también la conectividad de dispositivos móviles. La capacidad de dar soporte a dispositivos móviles no fue tenida en cuenta para el desarrollo de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas industriales, como WirelessHART. Mantener altos niveles de fiabilidad y baja latencia en comunicaciones industriales con dispositivos móviles es un importante reto técnico. Además, mantener la conectividad con dispositivos móviles puede requerir de frecuentes reconfiguraciones de la red a medida que los dispositivos se desplazan. El coste (en señalización, retardo, eficiencia energética, etc.) puede resultar considerable si tenemos en cuenta que las redes inalámbricas industriales son gestionadas de forma centralizada. Si bien esta gestión centralizada ofrece importantes ventajas para satisfacer los estrictos requisitos de las aplicaciones industriales en redes donde los dispositivos son estáticos, también presenta importantes retos si debe soportar la conexión de dispositivos móviles. Esta tesis doctoral defiende la necesidad de estudiar y evolucionar los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas industriales para soportar de forma eficiente la movilidad de los dispositivos a la vez que se garantizan adecuados niveles de fiabilidad y latencia de las comunicaciones. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es el estudio, propuesta y evaluación de nuevos protocolos de comunicación que mejoren el funcionamiento de las redes inalámbricas industriales en presencia de dispositivos móviles. Para abordar el problema, en primer lugar se ha evaluado el impacto que supone el despliegue de dispositivos móviles en el funcionamiento y rendimiento de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas industriales. Esta evaluación ha permitido identificar tres posibles líneas de investigación necesarias para mejorar el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas industriales cuando se requiere dar soporte a dispositivos con movilidad. En el marco de la presente tesis doctoral se han abordado investigaciones en las dos líneas consideradas de mayor impacto y recorrido: la detección de dispositivos vecinos, y la gestión dinámica de los enlaces de comunicación y las rutas multi‐salto en redes inalámbricas industriales. En relación con la primera de las líneas, esta tesis propone tres nuevos protocolos de descubrimiento de vecinos que aplican mecanismos deterministas para reducir el tiempo empleado en descubrir nuevos vecinos con respecto al actual protocolo incluido en el estándar WirelessHART. Dos de ellos explotan información de la topología de la red y la naturaleza de los dispositivos (estáticos o móviles) para mejorar la eficiencia en cuanto a la utilización de los enlaces de comunicación y al consumo de energía. En relación con la segunda de las líneas de investigación objeto de estudio en esta tesis, se ha propuesto un nuevo algoritmo de asignación de enlaces de comunicación (link scheduling) para redes inalámbricas industriales basado en el concepto de testigo virtual (virtual token). El algoritmo propuesto emplea enlaces de comunicación compartidos entre los dispositivos que forman una misma ruta origen‐destino con el fin de minimizar el retardo y maximizar la fiabilidad end‐to‐end en la entrega de mensajes. Por último, esta tesis también ha investigado en redes con dispositivos móviles, la asignación de enlaces de comunicación cuando se aborda de forma conjunta a la selección de rutas. En este contexto, por un lado la tesis estudia el impacto de la selección del primer salto en la comunicación del dispositivo móvil sobre el área en la cual es posible garantizar una fiabilidad superior a la fiabilidad objetivo predefinida. Por otro lado, se proponen, evalúan y comparan tres técnicas para la reasignación de enlaces de comunicación y rutas en presencia de dispositivos móviles cuando se requiere garantizar la fiabilidad objetivo marcada por las aplicaciones. Los estudios llevados a cabo demuestran que las propuestas de esta tesis doctoral contribuyen a mejorar el rendimiento, fiabilidad y eficiencia de los actuales estándares de comunicaciones inalámbricas industriales en presencia de dispositivos móviles. Los protocolos y mecanismos propuestos apuestan por evolucionar los actuales estándares, con el fin de maximizar su impacto y aplicabilidad. Esta tesis ha sido realizada bajo la modalidad de presentación de tesis doctorales con un conjunto de publicaciones, recogida en la normativa de estudios de doctorado de la Universidad Miguel Hernández de Elche.