Design and implementation of a high-performance hybrid network for industrial applications with real-time requirements

• DIRECTORES: Iñaki Val Beitia, Jesús Alberto López Fernández
• UNIVERSIDAD: Universidad de Oviedo

RESUMEN

Las aplicaciones con requisitos de tiempo real en la era de la industria 4.0. necesitan sistemas de comunicaciones con características muy específicas y complejas como, por ejemplo, muy baja latencia, ultra-alta fiabilidad, determinismo, flexibilidad de operación, y configurabilidad. Estas demandas están prácticamente resueltas en redes cableadas, y, por tanto, las aplicaciones industriales son comúnmente desarrolladas sobre tecnologías cableadas, como Ethernet. Al igual que en el mercado de consumo, en el que las redes de comunicaciones inalámbricas han reemplazado gradualmente las comunicaciones cableadas (especialmente en la última milla), las comunicaciones inalámbricas están siendo consideradas por la industria como la llave para conseguir alcanzar los niveles de automatización esperados en la industria 4.0. Las razones principales del interés en el uso de comunicaciones inalámbricas son: su bajo coste de montaje, su alta escalabilidad, su flexibilidad, y la posibilidad de que los nodos comunicados inalámbricamente se muevan libremente. Sin embargo, el diseño de una solución inalámbrica que cumpla los requisitos industriales es un desafío considerable, y los sistemas de comunicación actuales no alcanzan el rendimiento necesario. Las causas son diversas, pero la mayoría de los desafíos en comunicaciones industriales inalámbricas son derivados, en primer lugar, del impredecible comportamiento de los canales inalámbricos industriales y, en segundo lugar, de los requisitos tan complejos de las aplicaciones industriales.

En esta tesis se proponen diversas soluciones para reducir las diferencias de rendimiento existentes entre comunicaciones inalámbricas y comunicaciones cableadas en aplicaciones industriales. En primer lugar, esta tesis estudia los desafíos en sincronización de reloj inalámbrica bajo condiciones realistas. A partir de este estudio, se proponen dos esquemas de sincronización, que son evaluados mediante simulaciones y mediante una implementación experimental en una plataforma SDR. En segundo lugar, se ha diseñado e implementado un medidor de canal basado en uno de los esquemas de sincronización de alto rendimiento. Comparado con un medidor de canal tradicional, el medidor desarrollado en esta tesis es más sencillo de usar, más flexible, y más barato. Por último, se ha diseñado, implementado, y validado un sistema de comunicaciones inalámbrico de alto rendimiento denominado w-SHARP. El sistema ha sido implementado en una plataforma SDR y se ha validado en un entorno industrial realista. Los resultados obtenidos mediante los experimentos en hardware demuestran que w-SHARP mejora los resultados de los estándares 5G y 802.11ax para aplicaciones industriales con requisitos de tiempo real.