Diseño e implementación de una red híbrida de alto rendimiento para aplicaciones industriales con requisitos de tiempo real"/ "design and implementation of a high-performance hybrid network for industrial applications with real-time requirements

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. Real-Time applications in the scope of the industry 4.0. require communication systems with very challenging features, such as low latency, ultra-reliability, determinism, flexibility, and reconfigurability. These challenges are mostly solved in wired networks, and, consequently, industrial applications are usually built with wired technologies (Ethernet, fiber links). As in the consumer market, where wireless communications have been progressively replacing wired communications at the edge of the network, wireless is now being considered in industrial applications as the key driver to achieve the industry 4.0. vision. The main reasons behind the interest in industrial wireless are their lower commissioning costs, higher scalability, flexibility, and the possibility of free movement of the wireless nodes. Nonetheless, the design of a wireless solution that can be seamlessly used in industrial environments is a serious challenge, and nowadays wireless systems struggle to fulfill the industry 4.0. requirements. The causes are diverse, though most of the challenges in industrial wireless are derived, first, from the unpredictable behavior of the wireless transmission medium, which is especially harsh in industrial environments, and second, from the stringent requirements of industrial applications. This thesis proposes several solutions to reduce the gap between the performance of industrial wired and wireless communications. In the first place, the challenges of wireless synchronization are studied over realistic conditions, and two wireless synchronization schemes are proposed and evaluated through simulation and experimental means. In the second place, a portable channel sounder is designed and implemented based on one of the wireless synchronization schemes. Compared to a traditional channel sounder, the one developed during this thesis is simpler to use, more flexible, and more cost-effective. Finally, a high-performance industrial wireless system named w-SHARP is designed, implemented in a hardware-based Software Defined Radio platform, and validated under a realistic industrial environment. The performance evaluation through the hardware testbed demonstrates that w-SHARP outperforms 5G and 802.11ax for Real-Time industrial applications.