Explorando descartes de ativações periódicas para provimento de qualidade de serviço em redes IEEE 802.15.4

Abstract

Atualmente, tem se considerado cada vez mais o uso de redes sem fios em sistemas de automação industrial e controle de processos. Sistemas de Controle via Rede são exemplos de aplicações em que busca-se implantar em ambientes industriais. Para estes tipos de aplicações, o suporte à serviços de comunicação tempo real é uma das maiores necessidades. Tradicionalmente, aplicações de tempo real industriais assumem que nenhuma amostra será perdida durante os ciclos de controle. Contudo, alguns estudos realizados nos últimos anos indicam que os efeitos dos descartes de mensagens frente ao desempenho dos sistemas de controle podem ser compensados com emprego de outras técnicas. O padrão IEEE 802.15.4 têm se mostrado uma solução atrativa para uma vasta gama de aplicações no campo das Redes de Sensores sem Fios e mais recentemente no campo da instrumentação sem fios. Sendo assim, esta tese tem por objetivo principal propor abordagens de provimento de Qualidade de Serviço (QoS) em redes IEEE 802.15.4 para aplicações de tempo real que tolerem perdas de deadline. Primeiramente, um mecanismo de priorização de tráfego para dispositivos de tempo real, durante períodos de acesso com contenção (CAP) foi proposto. Este mecanismo, denominado DDBP, oferece de forma descentralizada aos dispositivos que desejam realizar suas transmissões durante o CAP, priorização de acesso ao meio de comunicação de acordo com a distância para falha dos dispositivos. Posteriormente, duas abordagens de escalonamento durante períodos de acesso sem contenção (CFP) foram propostas: abordagem SDBP, a qual oferece garantias de atendimento de deadline às aplicações, através de um teste de escalonabilidade determinístico e uma heurística on-line de priorização de mensagens; e abordagem (m,k)-spin, a qual apresenta uma análise de escalonabilidade baseada no conceito de período de nível de ocupação. As abordagens propostas voltadas para o escalonamento durante o CFP oferecem garantias temporais para as aplicações com restrições de QoS, modeladas de acordo com o modelo de tarefas (m,k)-firm. Dispositivos que não conseguem realizar suas transmissões durante períodos livres de contenção, poderão realizar suas transmissões utilizando a abordagem de priorização de tráfego tempo real desenvolvida para o CAP.

In the last few years, the use of wireless networks has been increasingly seen in industrial automation and process control. Network Control Systems are examples of driving applications in industrial environments. For these types of applications, support for real-time communications services is one of the major requirements. In traditional approaches, many of these real-time applications assume no data losses during the control cycle. However some more recent studies indicate that the effect of control messages discards upon the performance of the control systems may be significantly encompassed with the adoption of other techniques. The IEEE 802.15.4 protocol is an attractive solution for a wide range of applications in the field of Wireless Sensors Networks and more recently in the field of wireless instrumentation. Thus, this thesis aims to propose approaches to providing Quality of Service (QoS) in IEEE 802.15.4 for real-time applications that tolerate deadline misses. First, a mechanism for prioritizing traffic for real time devices during Contention Access Periods (CAP) was proposed. This mechanism, called DDBP offers in a decentralized way, priority access in accordance to the distance to device failure. Subsequently, two approaches to scheduling during Contention Free Periods (CFP) were proposed: SDBP approach which provides deadlines guarantees by the adoption of a deterministic scheduling test and an on-line prioritization heuristic; and (m,k)-spin approach, which presents a schedulability analysis based on the busy period concept. The proposed approaches applied to the CFP scheduling provide temporal guarantees for applications with QoS constraints, modelled according to the (m,k)-firm task model. Devices that cannot perform their transmissions during contention free periods, can try to perform their transmissions using the real-time traffic prioritization approach developed for the CAP.