Escalabilidade uplink de redes industriais sem fio com técnicas de centralidade

Abstract

Redes industriais sem fio apresentam diversas vantagens com relação a seus contrapontos cabeados, especialmente o menor custo gasto em infraestrutura e maior flexibilidade. Por outro lado, seu desempenho é desafiado por problemas relacionados à propagação de ondas eletromagnéticas, tais como interferências, coexistência e necessidade de baixo consumo de energia. Em redes de alta escala, definidas como compostas por cem a mil nodos, esses desafios se agravam, especialmente em operações como o convergecast, onde muitos dispositivos visam enviar dados ao mesmo nodo, gerando gargalos de tráfego ao redor do destinatário final. Em redes sem fio centralizadas, como o WirelessHART, o convergecast é frequente, pois um único gerenciador de rede administra seu funcionamento e rotineiramente precisa coletar informações de todos os dispositivos através de rotas uplink com destino a seus pontos de acesso. Este trabalho analisa a correlação entre desempenho e escala de uma rede WirelessHART e propõe técnicas para a definição de quantidades e melhores distribuições espaciais de nodos em redes com grandes quantidades de dispositivos, visando aumentar sua escalabilidade em termos de confiabilidade na entrega de pacotes. São empregadas técnicas de análise de redes sociais, em particular centralidades de grau, proximidade e intermediação, como métricas para correlação de desempenho. Os resultados do trabalho mostram que há um padrão entre as métricas de centralidade e a identificação de quais cadeias uplink de dispositivos apresentam maior probabilidade de perda de pacotes de dados. Usa-se esse conceito para propor uma técnica de redistribuição de cadeias através da relocação de pontos de acesso como um método preventivo para otimização de desempenho para algoritmos de roteamento, obtendo resultados de até 10% de incremento de confiabilidade.

Wireless industrial networks present several advantages over their cabled counterpoints, especially the lower cost spent on infrastructure and greater flexibility. On the other hand, its performance is challenged by problems related to the propagation of electromagnetic fields, such as interferences, coexistence and need for lower energy consumption. In networks of greater scale, defined as composed of a hundred to a thousand nodes, these challenges are exacerbated, specially in operations such as convergecast, where several devices aim to send data to the same node, generating traffic bottlenecks around its final receiver. In centralized wireless networks, such as WirelessHART, convergecast is frequent, because a sole network manager runs its operation and frequently has to collect information from every device through uplink routes destined to its access points. This work analyzes the correlation between performance and scale of a WirelessHART network and proposes techniques for the definition of minimum quantities and better spatial distributions of nodes in networks with large device counts, aiming to increase its scalability in terms of reliability on packet delivery. Social network analysis techniques are applied, particularly centralities such as degree, proximity and betweenness, as metrics for performance correlation. The results show there is a pattern between the centrality metrics and the identification of which device uplink chain present greater probability of data packet loss. This concept is used to propose a technique of chain redistribution through access points relocation as a preventive method for performance optimization in routing algorithms, obtaining results of up to 10% in reliability increase.