Performance analysis for industrial wireless networks

Abstract

Industrial wireless networks operate in harsher and noisier environments compared to traditional wireless networks, while demanding high reliability and low latency. These requirements, combined with the constant need for better coverage, higher data rates and overall seamless user experience call for a paradigm shift in communication in regards to the previous generations of technologies used. Cooperative diversity is one such approach. The main focus of this thesis is on the performance analysis of cooperative wireless networks set in industrial environments – where the network, apart from additive white Gaussian noise, is subject to multipath fading and shadowing, and/or temporary random blockage effects. In these scenarios, in order to achieve specific performance metrics such as error rates or outage probabilities, existing cooperative strategies are aided by protocols in the channel between the cooperating nodes. Moreover, pair-wise analysis investigates the correlation of multiple data flows. Building upon existing repetition protocols, outage performance of a network subject to fading and shadowing is observed, and the effects of fading and shadowing severity, network dimension, average signal-to-noise ratio values and packet length are discussed. Special cases are also observed, in which the composite fading channel is reduced to several familiar propagation environments, unifying the analysis. Afterwards, the analysis of more complex protocols is presented, taking into account random blockage in the channels between cooperating nodes. A novel, threshold-based internode protocol is introduced, which improves performance by listening to the transmissions and choosing whether to send a packet immediately or after a waiting period. As these two periods are close, the effect of temporal correlation is also investigated. Apart from the exact outage probability expressions, simpler asymptotic expressions, with and without blockage, are derived as well, giving a better insight on the network behaviour at high average signal-to-noise ratio regimes. Both outage probability and packet error rate can be also improved by adding automatic repeat request schemes in the channel between cooperating nodes, which again utilize the internode channels by re-sending data until it can be successfully decoded. Error-free communication can be achieved, but at a delay cost. Nevertheless, a trade-off between performance gains and delays remains, and can therefore be used for designing wireless networks with different requirements – error-free or low-latency. Finally, joint outage performance is investigated. Using a generic approach, which can be applied to any sort of data where multiple sources are communicating over wireless networks, pair-wise behaviour is investigated. As a result, any multi-route diversity type of scheme will have this sort of behaviour, since particular point-to-point relay links are being shared by source nodes. This in turn means that the performance of those flows will be correlated. For higher layers, there is a difference in the behaviour, meaning that when errors are correlated, data flows start behaving correlated as well. As a result, negative acknowledgements may start to correlate as well. All of this contributes to the network behaving in a correlated way, i.e., when something happens, it tends to happen to more than one data flow.

Rezime: Industrijske bežične mreže zahtevaju rad u težim i bučnijim uslovima u odnosu na tradicionalne bežične mreže, dok takođe zadržavaju zahteve visoke pouzdanosti i malog kašnjenja. Ovi zahtevi, zajedno sa konstantnom potrebom za većim propusnim opsegom, boljom pokrivenošću, većom brzinom prenosa podataka i generalno boljom i neprekidnom vezom poziva na promenu paradigme u komunikaciji u odnosu na tehnologije ranijih generacija. Kooperativni diverziti predstavlja jedan pristup kojim je to moguće postići. Glavna tema ove disertacije jeste analiza performansi kooperativnih bežičnih mreža smeštenih u industrijskom okruženju – gde je mreža, pored aditivnog Gausovog šuma podložna i fedingu usled višestruke propagacije, efektima senki i/ili privremenim slučajnim efektima blokade. U ovakvim scenarijima, da bi se postigle određene perfomanse, izražene preko verovatnoće greške ili verovatnoće prekida, postojećim kooperativnin strategijama pomažu i protokoli u kanalu između kooperirajućih čvorova. Takođe, analiza para čvorova govori nam o korelaciji više tokova podataka. Polazeći od postojećih protokola koji koriste ponavljanje paketa, posmatra se verovatnoća prekida čvora u bežičnoj mreži koja je podložna efektima fedinga i senki, i istražuje se uticaj efekata dubine fedinga i senke, dimenzije mreže, srednjeg odnosa signal-šum, kao i dužine paketa na verovatnoću prekida. Posmatraju se takođe i specijalni slučajevi, kada se kompozitni feding kanal svodi na nekoliko poznatih propagacionih modela, i na taj način se analiza upotpunjuje. Nakon toga, predstavljena je analiza kompleksnijeg protokola, koja uzima u obzir blokadu u kanalu između kooperirajućih čvorova. Uveden je novi protokol u komunikaciji između čvorova baziran na pragu odlučivanja, koji poboljšava performanse tako što osluškuje kanal, i na osnovu stanja kanala šalje svoj paket ili odmah, ili posle čekanja. Budući da su ova dva vremenska intervala bliska, efekat vremenske korelacije je takođe razmatran. Pored izvedenih tačnih izraza za verovatnoću prekida, jednostavniji asimptotski izrazi su takođe izvedeni za slučajeve sa i bez blokade, dajući bolji uvid u ponašanje mreže u režimu velikog odnosa signal-šum. Performanse kao što su verovatnoća prekida i verovatnoća greške po paketu se takođe mogu poboljšati uvođenjem procedura automatske retransmisije, tako što se u kanalu između čvorova ponovo šalju paketi dok se uspešno ne dekoduju. Komunikacija bez greške se može ostvariti ali po ceni većeg kašnjenja. U svakom slučaju, kompromis između performansi i kašnjenja se može ostvariti, i može se iskoristiti za projektovanje bežičnih mreža različitih namena – mrežama sa komunikacijom bez grešaka ili sa malim kašnjenjem. Konačno, istražena je istovremena verovatnoća prekida više čvorova. Koristeći jednostavan pristup koji se može primeniti na bilo koji tip komunikacije sa više čvorova unutar bežične mreže, istraženo je ponašanje grupe od dva čvora. Bilo koji tip diverziti šeme sa više putanja pokazaće ovakvo ponašanje, jer više izvorišnih čvorova dele pojedinačne linkove od tačke do tačke. To znači da će performanse tokova podataka koji potiču od ovih izvorišnih čvorova biti korelisane. Na višim slojevima, javlja se promena u ponašanju mreže, jer kada su greške korelisane, onda i tokovi podataka od različitih izvorišnih čvorova postaju korelisani. Sve ovo doprinosi da se mreža ponaša korelisano, tj. kada se nešto desi, desiće se istovremeno za više tokova podataka.