Redes WPAN : análisis y mejoras aplicadas a sistemas embebidos

Abstract

Nowadays data networks occupy an important place in our world. Since the 70, data communications have evolved quickly, and data transmission, voice and video may be transmitted over different media (copper, fiber optic and wireless). For example we can mention video-conference, voice and IP telephony, electronic transactions, medical applications, industrial sensor networks, etc. These applications are carried out successfully through data communications protocols. Protocol is a set of rules and conventions that govern how network devices exchange information. The protocols analysis lets optimize network performance. The study and analysis of wireless personal area networks (WPAN) are developed in this thesis. The application fields include industrial monitoring and control, public safety, measured in vehicles, smart cards or boards, precision agriculture, among others. WPANs are suitable for use in small mobile devices such as sensors, cell phones, Personal Digital Assistants (PDAs), etc. The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) specifies the rules for this type of networks under the IEEE 802.15.x. It have different subgroups:  802.15.1 specifications based on the Special Interest Group (SIG) Bluetooth.  802.15.2 developed a model of coexistence between networks Wireless LAN (Wireless Local Area Networks) and WPANs  803.15.3 transmission delivers high speed, low power consumption, low cost and quality of service.  802.15.4 researches and develops solutions that require low data transmission and thus the batteries lasting for months or even years. This thesis presents the development of proposals to improve the network performance over different real-time scheduling disciplines. First this thesis describes the standard 802.15.3, and then the real-time scheduling algorithms are explained. Then, several variants at MAC level are developed in order improve the real-time WPAN performance.

Las redes de datos hoy en día ocupan un lugar preponderante en mundo en que vivimos. Desde los años 70 los avances sobre las comunicaciones de datos han evolucionado a gran velocidad, pudiendo en la actualidad realizarse transmisiones de datos, voz y video sobre distintos medios (cobre, fibra óptica y sin cable). Como ejemplo podemos mencionar video-conferencias, voz y telefonía sobre IP, transacciones electrónicas bancarias, aplicaciones en medicina, red de sensores industriales, etc. Para que todas estas aplicaciones se lleven a cabo con éxito son indispensables los protocolos que rigen los distintos tipos de comunicaciones. Tal como su definición lo dice un protocolo es un conjunto de normas y convenciones que rigen de qué forma los dispositivos de una red intercambian información. El estudio de éstos permite optimizar el funcionamiento de la red. En esta tesis se desarrolla el estudio y análisis de redes inalámbricas (wireless) de área personal (WPAN). Este tipo de redes se emplean en diversos campos como control y monitoreo industrial, seguridad pública, medición en automóviles, tarjetas o placas inteligentes, agricultura de precisión entre otros. En términos generales, las redes WPANs son adecuadas para el uso en dispositivos móviles pequeños, como sensores, teléfonos celulares, Asistente Digital Personal (PDAs), etc. El Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE) especifica las normas para este tipo de redes bajo el estándar IEEE 802.15.x, dentro de éste tenemos distintos subgrupos los cuales son:  802.15.1 basado en las especificaciones del Grupo de Interés Especial (SIG) de Bluetooth.  802.15.2 desarrolló un modelo de coexistencia entre las redes Wireless LAN (Redes de Área Local Inalámbricas) y las WPANs  803.15.3 ofrece alta velocidad de transmisión, bajo consumo de energía, bajo costo y calidad de servicio.  802.15.4 investiga y desarrolla soluciones que requieren una baja transmisión de datos y con ello una duración en las baterías de meses e incluso de años. Sobre el estándar 802.15.3 se desarrollarán distintos análisis que nos permitirán realizar propuestas para mejorar el rendimiento de las redes WPANs bajo distintas disciplinas de diagramación sobre sistemas de tiempo real; este es el objetivo de la tesis. Para cumplir con este objetivo, se inicia explicando el funcionamiento del estándar 802.15.3, luego se enfoca sobre los sistemas de tiempo real analizando los distintos algoritmos de diagramación. A continuación se desarrollan diversas metodologías con el objetivo de mejorar el rendimiento de las redes WPANs evaluando su desempeño bajo distintos esquemas de diagramación en tiempo real.