EVALUACIÓN DE COMUNICACIONES HETEROGÉNEAS PARA EL DESPLIEGUE DE REDES DE SENSORES EN ENTORNOS...

Evaluación de Comunicaciones Heterogéneas para el Despliegue de

Redes de Sensores en Entornos Industriales

Miguel Sepulcre

(UMH), José

Antonio Palazón

(UMH), Javier Gozálvez

(UMH), Jaime Orozco (INDRA), Oscar López (NEXTEL) y Etxahun

Sánchez (NEXTEL)

[email protected]

Índice

• Introducción

• Entorno industrial de pruebas

• Conectividad inalámbrica de red de sensores

• Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos

• Conectividad inalámbrica backhaul

• Conclusiones

Introducción

Introducción

• Proyecto FASyS

(Fábrica Absolutamente Segura y Saludable)– Desarrollo de un nuevo modelo de fábrica que minimice los riesgos para la salud y

la seguridad del trabajador

– Protocolos de prevención, soluciones de monitorización de la salud, técnicas de

procesamiento de datos, etc.

• Componente tecnológico clave: sistema heterogéneo inalámbrico para aplicaciones de monitorización móvil distribuidas

– Monitorización continua del entorno de trabajo y de la salud de los trabajadores

– Integración de comunicación de corto, medio y largo alcance

• Retos en el desarrollo de un plataforma heterogénea de comunicaciones– Fiabilidad (adversas condiciones de propagación)– Conectividad en Tiempo‐Real (a través de múltiples tecnologías inalámbricas)

– Movilidad

Backhaul

inalámbrico HSDPA

Monitorización Estática /Móvil: IEEE 802.15.4

Distribución local de datos: WiMAX

• Necesidad de análisis de condiciones de propagación y conectividad– Extensa campaña de medidas con diferentes tecnologías inalámbricas

Introducción

Entorno industrial de pruebas

Entorno industrial de pruebas

• Fábrica de 10.000 m2

(GORATU, fabricante de máquina herramienta)– Muro perimetral y alturas de la planta cercanas a 11m

– Amplios pasillos de montaje y zonas separadas por muros de hormigón

– Obstáculos metálicos pueden reducir la conectividad (grúas puente,

maquinaria en proceso de montaje y elementos estructurales)

Máquina

Grúas

Máquina

Grúa

Nodo de comunicaciones

Muro 2m.

Muro perimetral

Almacén

Conectividad inalámbrica de red de sensores


• Evaluación de motes 802.15.4 para el estudio de conectividad WSN– Comparación experimental de motes

– Mote IRIS de Memsic

seleccionado por su mejor rendimiento‐eficiencia

• TinyOS, sistema abierto para desarrollar sobre IEEE 802.15.4

Memsic

IRIS

RF Transceiver AT86RF230

PHY/MAC IEEE 802.15.4 (DSSS/CSMA)

Freq. band ISM 2.4GHz

Transmit rate 250kbps

Max. RF power 3dBm

RX Sensitivity ‐101dBm


• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos estáticos– 4 posiciones diferentes del nodo TX con diferentes condiciones de propagación– Transmisión periódica 1‐

hop de paquetes

– Niveles RSSI relativamente estables; con un promedio de PER<1%

Position X [m]

Pos

ition

Y [m

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

FA

FB

FCFD

RX

0 10 20 30 40 50-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

Tiempo [s]

RS

SI [

dBm

]

FAFBFCFD

Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =2m, T=20ms, payload=100Bytes

Posición X [m]

Posi

ción

Y [m

]

• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles– Emulación de un trabajador/vehículo desplazándose por la fábrica

– Variación de RSSI dependiendo de distancia y de elementos obstructores• Peor rendimiento a grandes distancias (M7) y en el interior del almacén (M11)


Position X [m]

Pos

ition

Y [m

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M1M2 M3

M4

M5

M6

M7

M8M9 M10

M11

M12

Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes

Posi

ción

Y [m

]

Posición X [m]

0 100 200 300 400 500 600 700-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

Elapsed time [s]

RS

SI [

dBm

]

M1 M2 M3 M4 M5M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12

Tiempo [s]

0 100 200 300 400 500 600 7000

2

4

6

8

10

Elapsed time [s]P

ER

[%]

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10M11 M12

PER in last 5sAccumulated PERPER cada 5sPER acumulado

• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles– Movilidad y baja altura de TX incrementa los niveles de PER

– Niveles más elevados de PER (~8%) obtenidos a grandes distancias y en el almacén


Position X [m]

Pos

ition

Y [m

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

M1M2 M3

M4

M5

M6

M7

M8M9 M10

M11

M12

Configuración:Pt=3dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes

Posi

ción

Y [m

]

Posición X [m] Tiempo [s]

Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos


• Equipamiento experimental para pruebas con WiMAX– Alvarion

BreezeACCESS

@ 5.470‐5.725GHz (Canales de 20MHz)

– Herramienta Wireshark

para captura de tráfico (throughput

y RSSI/SNR data)

RX (Unidad Subscriptora)

TX (Unidad de Acceso)

Wireshark

• Evaluación de rendimiento WiMAX– Transmisión FTP de fichero a máxima potencia de transmisión

– Notable rendimiento y estabilidad del throughput

– Influencia de la altura de RX y las condiciones de visibilidad


Position X [m]

Pos

ition

Y [m

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TX

RX

Posición X [m]

Posi

ción

Y [m

]

0 10 20 30 40 50 600

5

10

15

20

25

30

35

40

Elapsed time [s]

Thro

ughp

ut [M

bits

/s]

hR

=5m

hR

=1m

Tiempo [s]

Thro

ughp

ut[M

bps]

Conectividad inalámbrica backhaul


• Equipamiento experimental para pruebas con

HSDPA

– Terminal Nokia 6720c (symbian) + Nemo Handy

– Herramienta Nemo Outdoor

de post‐procesado

– Despliegue de estaciones base UMTS/HSDPA

BS3

BS2

BS1

GORATU920m

1450m

270m


• Evaluación de rendimiento HSDPA– Descarga de fichero en el exterior e interior de la fábrica– Baja potencia recibida (RSCP) y altos niveles de BLER en el interior

– Compensación de la degradación de la calidad del enlace mediante la adaptación

de parámetros (potencia de transmisión, esquemas de modulación/codificación, …)

– Niveles homogéneos de throughput

a

pesar de las diferentes condiciones de

operación y propagación

Outside Inside

-90

-80

-70

-60R

SC

P (a

ctiv

e) [d

Bm

]

Outside Inside0

10

20

30

MA

C B

LER

Exterior Interior Exterior Interior

Outside Inside0

1

2

3

Thru

ghpu

t [M

bps]

Exterior Interior

Conclusiones

• Tecnologías de monitorización móvil y distribuidas– Gran potencial para mejorar la salud de los trabajadores

• Despliegue de soluciones inalámbricas en fábricas: reto ante adversas condiciones de propagación y operación

– Necesidad de analizar los niveles de conectividad alcanzables

• Evaluación experimental de diferentes tecnologías inalámbricas en entornos industriales

– Importancia de las condiciones de movilidad, propagación y visibilidad

– Influencia de la configuración del despliegue en el rendimiento

Conclusiones

Gracias por su atenciónEste trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e

Innovación a través del proyecto CENIT FASyS (CEN_20091034).

www.uwicore.umh.es

• Posicionamiento en interior con la herramienta Nemo Handy– Instalada en el terminal móvil (Nokia 6720c)

– Posicionamiento manual de todas las medidas durante los experimentos

0 100 200 300 400 500 600 7000

20

40

60

80

100

120

Tiempo [s]D

ista

ncia

TX-

RX

[m]

A B C D E F G H I J K L


• Rendimiento de las comunicaciones con nodos en movilidad– Incremento de la potencia de transmisión

• Mejora del rendimiento: disminución del PER, aunque continúan

existiendo errores

• Incremento del consumo: impacto en la autonomía de los nodos


Position X [m]

Pos

ition

Y [m

]

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100M11

M12

0 10 20 30 40 50 60 700

2

4

6

8

10

Elapsed time [s]

PER

[%]

M11 M12

PER in last 5sAccumulated PER

Configuración: Pt=17dBm, hRX =5m, hTX =1.2m, T=20ms, payload=100Bytes

Posi

ción

Y [m

]

Posición X [m]Tiempo [s]

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