TU Darmstadt / ULB / TUprints

Improving Quality of Service in Wireless Sensor Networks for Industrial Automation

Yuan, Dingwen :
Improving Quality of Service in Wireless Sensor Networks for Industrial Automation.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
thesis.pdf
Available under Only rights of use according to UrhG.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Improving Quality of Service in Wireless Sensor Networks for Industrial Automation
Language: English
Abstract:

Monitoring and control systems have played a central role in industry and everyday life, often in a non-intrusive manner. Yet, they will become more ubiquitous, autonomous and distributed, with the rapid development of the envisioned technologies of "smart homes", "smart cities" and "industry 4.0". All these new technologies are built upon the enabling technology of WSN. Their success depends to a large extent on the communication capability of WSNs. Fast reaction and feedback is a common characteristic of these technologies, therefore, how to achieve low-latency, high-reliability and flexibility in WSN communication is a key challenge, and a decisive success factor.

WSN refers to a network that connects a number of low-cost, low-power sensor nodes which have sensing and/or actuating capabilities, and can communicate with each other over short distance via a low-power radio. The predominant advantages that WSN offers are 1) distribution and fault tolerance in communication and sensing/actuation by leveraging large number of sensor nodes, 2) cost reduction by removing the cables of communication and power supply, and 3) flexibility in the deployment of tiny cableless sensor nodes. However, one main drawback of the wireless technology, in contrast to the mature wired counterpart, is the much weaker communication capability --- the combined result of stronger interference in the wireless channel, the weak signal strength of low-power radios and the complexity in the scheduling of multi-hop wireless communication.

The main goal of the thesis is to facilitate the transition from wired technology to wireless technology for industrial automation. Specifically, I provide solutions for improving and guaranteeing QoS in WSN communication.

I tackle the problem for two scenarios where the network topology is either known or not. When the network topology is known, I adopt an approach of reservation-based scheduling, i.e., through centralized scheduling of communication opportunities, in order to optimize various communication metrics. In the thesis, I propose a very efficient multi-channel scheduling algorithm that gives nearly optimal latency performance (within 1.22% of the optimum) for the tree-based convergecast, which is by far the predominant communication pattern, especially for monitoring applications. I also propose very efficient multi-channel scheduling algorithms that offer high schedulability and low overhead for multi-flow periodic real-time communication on an arbitrary network topology with multiple gateways. Such a communication pattern is typical of a multi-loop control system.

On the other hand, if the network topology is unknown or changes very dynamically, I optimize the QoS in communication by exploiting concurrent transmission on the physical layer, which is routing-free by nature. First, I proposes a simple model for concurrent transmissions in WSN which accurately predicts the success or failure in the packet reception. Then I design the Sparkle protocol for highly reliable, low latency and energy efficient multi-flow periodic communication. Finally, it presents the Ripple protocol for high throughput, reliable and energy efficient network flooding using pipeline transmissions and forward error correction, which significantly improves the state-of-the-art.

Although the thesis assumes WSN as the communication technology and industrial automation as the application scenario, it is by no means restricted to these settings since the proposed solutions can be applied to other wireless networks and other scenarios with similar communication patterns and QoS concerns.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Überwachungs- und Steuerungssysteme sind von zentraler Bedeutung sowohl in der Industrie als auch im alltäglichen Leben. Oftmals arbeiten sie in kaumwahrnehmbarer Art und Weise. Dennoch werden sie mit der rasanten Entwicklung der aufkommenden Technologien "Smart Homes", "Smart Cities" und "Industrie 4.0" noch allgegenwärtiger, autonomer und verteilter. All diese neuen Technologien basieren auf drahtlosen Sensornetzen (WSNs). Ihr Erfolg hängt zu einem großen Teil von der Kommunikationsfähigkeit von drahtlosen Sensornetzen ab. Schnelle Reaktion und Rückkopplung sind eine gemeinsame Charakteristik dieser Technologien, weshalb das Erreichen einer geringen Latenz, einer hohen Zuverlässigkeit sowie Flexibilität bei der Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen eine große Herausforderung und ein entscheidender Erfolgsfaktor ist. Ein drahtloses Sensornetz repräsentiert ein Netzwerk bestehend aus einer Reihe von kostengünstigen Sensorknoten mit wenig Leistung, welche über Mess- und/oder Aktuatorfähigkeiten verfügen. Diese Knoten kommunizieren drahtlos miteinander über kurze Distanzen mittels eines leistungsschwachen Funkmoduls. Die Hauptvorteile, die ein drahtloses Sensornetz bietet sind 1) verteilte und fehler-tolerante Kommunikation und Messungen/Regelungen aufgrund der großen Anzahl von Sensorknoten, 2) Kostenreduzierung durch Entfernen der Verkabelungen für Kommunikation und Energieversorgung und 3) Flexibilität bei der Anbringung von winzigen drahtlosen Sensorknoten. Ein Hauptnachteil der drahtlosen Technologie im Gegensatz zum ausgereiften drahtgebundenen Gegenstück ist jedoch die viel schwächere Kommunikationsfähigkeit --- der kombinierte Effekt von stärkerer Interferenz beim drahtlosen Medium, die schwache Signalstärke der leistungsschwachen Funkmodule und die Komplexität beim Koordinieren der drahtlosen Kommunikation mit mehreren Zwischenempfängern. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, die Transition von der drahtgebundenen zur drahtlosen Technologie im Rahmen der industriellen Automatisierung zu erleichtern. Im Einzelnen stelle ich Lösungen bereit, um die Dienstgüte (QoS) bei der Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen zu garantieren und zu verbessern. Ich löse das Problem für zwei Szenarien, bei denen die Netzwerktopologie entweder bekannt oder unbekannt ist. Im ersteren Fall wende ich einen Ansatz basierend auf festgelegter Koordinierung an, d.h. die Kommunikation wird mittels eines zentralisierten Algorithmus bestimmt, um verschiedene Kommunikationsmetriken zu optimieren. In dieser Dissertation stelle ich einen sehr effizienten, mehrkanaligen Koordinierungsalgorithmus vor, der nahezu optimale Latenzperformance (innerhalb von 1,22% des Optimums) für den baumbasierten Sammelempfang ermöglicht, welcher bei weitem das am häufigsten verwendete Kommunikationsmuster darstellt, besonders für überwachungsapplikationen. Darüber hinaus präsentiere ich sehr effiziente, mehrkanalige Koordinierungsalgorithmen, welche hohe Koordinierungsfähigkeit und geringen Overhead für periodische Echtzeitkommunikation mittels mehreren Datenflüssen in einer beliebigen Netztopologie mit mehreren Gateways bieten. Ein solches Kommunikationsmuster ist typisch für ein Steuerungssystem mit mehreren Schleifen. Andernfalls, wenn die Netzwerktopologie nicht bekannt ist oder sich sehr dynamisch ändert, optimiere ich die Kommunikationsdienstgüte durch Ausnutzen der simultanen übertragung auf der physikalischen Ebene, die von Natur aus kein Routing erfordert. Zuerst schlägt ich ein einfaches Modell für simultane übertragungen in drahtlosen Sensornetzen vor, welches den Erfolg oder Nicht-Erfolg des Zustellens eines Paketes zuverlässig vorhersagt. Danach entwickle ich das "Sparkle"-Protokoll für höchst zuverlässige, energie-effiziente periodische Kommunikation mit mehreren Datenflüssen bei geringer Latenz. Abschließend präsentiere ich das "Ripple"-Protokoll für hohen Datendurchsatz sowie zuverlässiges und energie-effizientes Netzwerk-Flooding mittels Pipeline-übertragungen und Vorwärtsfehlerkorrektur, welches den bisherigen Stand der Technik signifikant verbessert. Obwohl die Dissertation von drahtlosen Sensornetzen als Kommunikationstechnologie und industrieller Automatisierung als Anwendungsszenario ausgeht, sind die vorgestellten Lösungen nicht auf diese Annahmen beschränkt. Sie können auf andere drahtlose Netze und andere Szenarien mit ähnlichen Kommunikationsmustern und Dienstgüteanforderungen übertragen werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Sichere Mobile Netze
Date Deposited: 13 Jun 2016 11:30
Last Modified: 23 Aug 2016 12:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-55089
Referees: Dingwen, Yuan dingwen.yuan@seemoo.tu-darmstadt.de
Refereed: 10 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5508
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year