Algoritmo de roteamento de mensagens confiável com controle de energia aplicado às redes sem fio industriais

Abstract

As redes sem fio industriais (RSFI) têm sido altamente estudadas e pesquisados principalmente por demostrar flexibilidade em sua implementação e baixos custos de manutenção, e isso tem incrementado o interesse pelo uso destas redes em aplicações simples onde o número de pontos (sensores e atuadores) no processo é baixo (entre 10 e 100) até processos em que se precisa controlar e monitorar de cem a milhares de pontos. Mas, com o aumento da complexidade dos processos aumenta também as exigências dentro da rede: segurança, confiabilidade na entrega de pacotes, latência e eficiência no consumo da energia são algumas das características onde as redes sem fio devem apresentar um controle mais robusto para assegurar um ótimo desempenho. Uma das etapas mais complexas dentro da comunicação sem fio é o roteamento de dados, processo de troca de informação entre dois ou mais dispositivos da rede onde devem ser determinados os caminhos para a correta comunicação entre estes dispositivos. Este trabalho apresenta a implementação de diferentes protocolos de roteamento aplicados a RSFI assim como propõe um algoritmo para a criação de rotas confiáveis e com controle no estado de energia dos nós. O algoritmo está dividido em duas etapas, primeiro a formação da árvore de comprimento total mínimo entre todos os nós da rede, onde, nessa formação, um valor de custo é atribuído às arestas da rede; na segunda etapa a formação de rotas confiáveis com redundância para os grafos uplink e downlink onde a escolha dos nós para a formação dos caminhos tem em consideração um valor de custo associado a características dos dispositivos. O algoritmo proposto leva em consideração características dos dispositivos assim como os parâmetros dos relatórios de estado dos dispositivos que são compartilhados com o gerenciador de rede. Este trabalho foi validado em simulações onde se estabelecem condições diferentes para o estado dos nós e os resultados mostram a adaptabilidade do algoritmo em estabelecer as melhores rotas disponíveis.

Industrial wireless networks (IWN) have been highly studied and researched mainly for demonstrating flexibility in their implementation and low maintenance costs, this has increased the interest in the use of these networks in simple applications where the number of devices in the process is low (10 -100) to processes where you need to control and monitor from one hundred to thousands of devices. But with the increase in the complexity of the processes, the demands within the network also increase: security, latency, reliability in packet delivery and energy consumption efficiency are some of the characteristics where wireless networks must have a more robust control to ensure optimum performance. One of the most complex steps in wireless communication is data routing, a process of exchanging information between two or more network devices where the paths between devices that want to establish communication to achieve data transfer must be determined. This work implements different routing protocols applied to IWN as well as proposes an algorithm for the creation of reliable routes with control over the energy state of the nodes. The algorithm is divided into two steps, first the formation of the minimum total length tree among all the nodes of the network, in this formation a cost value is assigned to the edges of the network; in the second stage, the formation of reliable routes with redundancy for the uplink and downlink graphs where the choice of nodes for the formation of paths takes into account a cost value associated with device characteristics. The proposed algorithm considers device characteristics as well as device status report parameters that are shared with the network manager. This work was validated in simulations where different conditions are established for the state of the nodes and the results show the adaptability of the algorithm in establishing the best available routes.