Diseño y evaluación de mecanismos de optimización en redes de sensores inalámbricas industriales

Abstract

[ES] La industria se encuentra inmersa de pleno en la cuarta revolución industrial, y es gracias a la capacidad de digitalización y de procesamiento de grandes cantidades de datos, que se consigue mejorar y optimizar el rendimiento de los sistemas industriales actuales. Son muchos los paradigmas y conceptos que están dando forma a lo que se conoce como Industria 4.0, y uno de ellos ha sido el Internet de las Cosas (IoT: Internet of Things) o más concretamente el Internet Industrial de las Cosas (IIoT: Industrial Internet of Things), como se ha llamado al subconjunto con determinados requisitos orientados al sector industrial. Las redes de sensores inalámbricos (WSN: Wireless Sensor Networks) son tecnologías habilitadoras para estos sistemas IoT, ya que gracias a su fácil escalabilidad ofrecen gran capacidad de sensorización con un coste energético reducido. En el ámbito industrial, estas redes de sensores deben cumplir con requisitos estrictos de fiabilidad, y su aceptación está siendo lenta debido a que su robustez y facilidad de configuración no han podido rivalizar con las tecnologías clásicas. Con el desarrollo de esta tesis, se pretende hacer frente a determinados aspectos de mejora de las redes industriales de sensores inalámbricos. Para ello, se diseñan nuevos mecanismos para la sincronización, evaluando metodologías alternativas de enrutamiento y proponiendo modelos analíticos que permitan caracterizar fielmente el proceso de despliegue de estas redes, con el objetivo de cubrir aquellas lagunas que dejan los estándares y protocolos bajo estudio. Los mecanismos propuestos por el estándar IEEE 802.15.4e, en concreto el método de acceso al medio mediante TSCH (Time-Slotted Channel Hopping), presentan las bases sobre las que construir una red WSN fiable y robusta, y mediante los desarrollos propuestos en esta tesis se facilita su implantación en sistemas de Industria 4.0.

[CA] La indústria es troba de ple en la quarta revolució industrial, i és gràcies a la capacitat de digitalització i de processament de grans quantitats de dades, que s'aconsegueix millorar i optimitzar el rendiment dels sistemes industrials actuals. Són moltes els paradigmes i conceptes que estan donant forma al que es coneix com a Indústria 4.0, i una d'elles ha sigut la Internet de les Coses (IoT: Internet of Things) o més concretament la Internet Industrial de les Coses (IIoT: Industrial Internet of Things), com s'ha anomenat al subconjunt amb determinats requisits orientats al sector industrial. Les xarxes de sensors sense fils (WSN: Wireless Sensor Networks) són tecnologies habilitadores per a sistemes IoT, ja que gràcies a la seua fàcil escalabilitat ofereixen gran capacitat de digitalització amb un cost energètic reduït. En l'àmbit industrial, aquestes xarxes de sensors han de complir amb requisits estrictes, i la seua acceptació està sent lenta a causa de factors que fan que aquests sistemes no substituïsquen a les tecnologies clàssiques. Amb el desenvolupament d'aquesta tesi, es pretén fer front a determinats aspectes de millora de les xarxes industrials de sensors sense fils. Per a això, es dissenyen nous mecanismes per a la sincronització, avaluant metodologies alternatives d'encaminament i proposant models analítics que permeten caracteritzar fidelment el procés de desplegament d'aquestes xarxes, amb l'objectiu de cobrir aquelles llacunes que deixa l'estàndard. Els mecanismes proposats per l'estàndard IEEE 802.15.4, en concret el mètode d'accés al mitjà TSCH, presenten les bases sobre les quals construir una xarxa WSN fiable i robusta, i mitjançant els desenvolupaments proposats en aquesta tesi es facilita la seua implantació en sistemes d'Indústria 4.0.

[EN] The industry is fully engaged in the fourth industrial revolution. Due to digital transformation and the processing of large amounts of data, it is possible to improve the value chain and provide a real-time optimization for the current industrial systems. There are many paradigms and concepts that that fall under the umbrella of Industry 4.0, and one of them is the Internet of Things (IoT) or more specifically the Industrial Internet of Things (IIoT), as the subset with certain industry-oriented requirements is known. Wireless Sensor Networks (WSN) are an enabling technology for IoT systems, since its easy scalability offers a great sensorization capacity with a reduced energy cost. In the industrial field, these sensor networks must meet strict reliability requirements, so growth in the industrial market is slow as these systems fail to replace legacy technologies. This thesis addresses different aspects of improving industrial wireless sensor networks. To that end, new mechanisms for synchronization have been designed, evaluating alternative routing methodologies and proposing analytical models that allow a comprehensive characterization of the deployment process of these networks, aiming of covering those gaps left by the standard. The mechanisms proposed by the IEEE 802.15.4 standard, specifically the medium access control method Time-Slotted Channel Hopping (TSCH), present the bases to deploy a reliable and robust WSN network, and through the developments proposed in the thesis, it is possible smooth the way for its implementation in Industry 4.0 systems.