1. Evaluación de Comunicaciones
Heterogéneas para el Despliegue de
Redes de Sensores en Entornos
Industriales
Miguel Sepulcre (UMH), José Antonio Palazón (UMH), Javier Gozálvez (UMH),
Jaime Orozco (INDRA), Oscar López (NEXTEL) y Etxahun Sánchez (NEXTEL)
jpalazon@umh.es

2. Índice
• Introducción
• Entorno industrial de pruebas
• Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
• Conectividad inalámbrica backhaul
• Conclusiones

3. Introducción

4. Introducción
• Proyecto FASyS (Fábrica Absolutamente Segura y Saludable)
– Desarrollo de un nuevo modelo de fábrica que minimice los riesgos para la salud y
la seguridad del trabajador
– Protocolos de prevención, soluciones de monitorización de la salud, técnicas de
procesamiento de datos, etc.
• Componente tecnológico clave: sistema heterogéneo inalámbrico para
aplicaciones de monitorización móvil distribuidas
– Monitorización continua del entorno de trabajo y de la salud de los trabajadores
– Integración de comunicación de corto, medio y largo alcance
• Retos en el desarrollo de un plataforma heterogénea de comunicaciones
– Fiabilidad (adversas condiciones de propagación)
– Conectividad en Tiempo‐Real (a través de múltiples tecnologías inalámbricas)
– Movilidad

5. Introducción
• Necesidad de análisis de condiciones de propagación y conectividad
– Extensa campaña de medidas con diferentes tecnologías inalámbricas
Backhaul inalámbrico HSDPA
Distribución local de datos: WiMAX
Monitorización Estática /Móvil:
IEEE 802.15.4

6. Entorno industrial de pruebas

7. Entorno industrial de pruebas
• Fábrica de 10.000 m2 (GORATU, fabricante de máquina herramienta)
– Muro perimetral y alturas de la planta cercanas a 11m
– Amplios pasillos de montaje y zonas separadas por muros de hormigón
– Obstáculos metálicos pueden reducir la conectividad (grúas puente,
maquinaria en proceso de montaje y elementos estructurales)
Muro
Grúa perimetral
Grúas
Muro 2m.
Máquina Almacén
Nodo de
Máquina comunicaciones

8. Conectividad inalámbrica de red de sensores

9. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Evaluación de motes 802.15.4 para el estudio de conectividad WSN
– Comparación experimental de motes
– Mote IRIS de Memsic seleccionado por su mejor rendimiento‐eficiencia
• TinyOS, sistema abierto para desarrollar sobre IEEE 802.15.4
Memsic IRIS
RF Transceiver AT86RF230
PHY/MAC IEEE 802.15.4 (DSSS/CSMA)
Freq. band ISM 2.4GHz
Transmit rate 250kbps
Max. RF power 3dBm
RX Sensitivity ‐101dBm

10. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos estáticos
– 4 posiciones diferentes del nodo TX con diferentes condiciones de propagación
– Transmisión periódica 1‐ hop de paquetes
– Niveles RSSI relativamente estables; con un promedio de PER<1%
0 -60
10 -65
20
-70
30
Posición Y [m]
40 -75
RSSI [dBm]
FA RX
50
Position
-80
60
FB
70 -85
80
FD -90 FA
90 FB
FC
100 -95 FC
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 FD
Position X [m]
Posición X [m] -100
0 10 20 30 40 50
Configuración: Tiempo [s]
Pt=3dBm, hRX=5m, hTX=2m, T=20ms, payload=100Bytes

11. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles
– Emulación de un trabajador/vehículo desplazándose por la fábrica
– Variación de RSSI dependiendo de distancia y de elementos obstructores
• Peor rendimiento a grandes distancias (M7) y en el interior del almacén (M11)
M1 M2 M3 M4 M5M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12
0 -40
10
-50
20
-60
RSSI [dBm]
30
M4
Position [m]
Posición Y [m]
40 -70
M1 M5
50 M2 M3 M12
M8 -80
60
M9 M10
70 -90
80 M6
-100
90 M7 0 100 200 300 400 500 600 700
M11 Elapsed time [s]
Tiempo [s]
100
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Configuración:
Posición X [m]
Position X [m] Pt=3dBm, hRX=5m, hTX=1.2m, T=20ms, payload=100Bytes

12. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de comunicaciones en WSN para nodos móviles
– Movilidad y baja altura de TX incrementa los niveles de PER
– Niveles más elevados de PER (~8%) obtenidos a grandes distancias y en el almacén
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10M11 M12
0 10
10
PER in last5s
cada 5s
20 8 Accumulated PER
PER acumulado
30
M4
Position [m]
Posición Y [m]
40 6
PER [%]
M1 M5
50 M2 M3 M12
60 M8 4
M9 M10
70
80 M6 2
90 M7
M11
100 0
0 100 200 300 400 500 600 700
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Elapsed time [s]
Position X [m]
Posición X [m] Tiempo [s]
Configuración:
Pt=3dBm, hRX=5m, hTX=1.2m, T=20ms, payload=100Bytes

13. Comunicaciones inalámbricas para
distribución de datos

14. Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
• Equipamiento experimental para pruebas con WiMAX
– Alvarion BreezeACCESS @ 5.470‐5.725GHz (Canales de 20MHz)
– Herramienta Wireshark para captura de tráfico (throughput y RSSI/SNR data)
TX (Unidad de Acceso)
Wireshark
RX (Unidad Subscriptora)

15. Comunicaciones inalámbricas para distribución de datos
• Evaluación de rendimiento WiMAX
– Transmisión FTP de fichero a máxima potencia de transmisión
– Notable rendimiento y estabilidad del throughput
– Influencia de la altura de RX y las condiciones de visibilidad
40
0
10 35
20
30
Throughput [Mbps]
30
Throughput [Mbits/s]
Posición Y [m]
Position Y [m]
25
40
TX
50 20
60
15
70
80 10
RX
90 h =5m
5 R
100 h =1m
R
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0
0 10 20 30 40 50 60
Posición X [m]
Position X [m]
Elapsed time [s]
Tiempo [s]

16. Conectividad inalámbrica backhaul

17. Conectividad inalámbrica backhaul
• Equipamiento experimental para pruebas con HSDPA
– Terminal Nokia 6720c (symbian) + Nemo Handy
– Herramienta Nemo Outdoor de post‐procesado
– Despliegue de estaciones base UMTS/HSDPA
BS1
270m
920m
BS2 GORATU
1450m
BS3

18. Conectividad inalámbrica backhaul
• Evaluación de rendimiento HSDPA
– Descarga de fichero en el exterior e interior de la fábrica
– Baja potencia recibida (RSCP) y altos niveles de BLER en el interior
-60 30
RSCP (active) [dBm]
MAC BLER
-70 20
-80
10
-90
0
Outside Inside Outside Inside
Exterior Interior Exterior Interior
– Compensación de la degradación de la calidad del enlace mediante la adaptación
de parámetros (potencia de transmisión, esquemas de modulación/codificación, …)
3
Thrughput [Mbps]
2 – Niveles homogéneos de throughput a
pesar de las diferentes condiciones de
1
operación y propagación
0
Outside Inside
Exterior Interior

19. Conclusiones

20. Conclusiones
• Tecnologías de monitorización móvil y distribuidas
– Gran potencial para mejorar la salud de los trabajadores
• Despliegue de soluciones inalámbricas en fábricas: reto ante
adversas condiciones de propagación y operación
– Necesidad de analizar los niveles de conectividad alcanzables
• Evaluación experimental de diferentes tecnologías inalámbricas
en entornos industriales
– Importancia de las condiciones de movilidad, propagación y visibilidad
– Influencia de la configuración del despliegue en el rendimiento

21. Gracias por su atención
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e
Innovación a través del proyecto CENIT FASyS
(CEN_20091034).
www.uwicore.umh.es

22. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Posicionamiento en interior con la herramienta Nemo Handy
– Instalada en el terminal móvil (Nokia 6720c)
– Posicionamiento manual de todas las medidas durante los experimentos
A B C D E F G H I J K L
120
100
Distancia TX-RX [m]
80
60
40
20
0
0 100 200 300 400 500 600 700
Tiempo [s]

23. Conectividad inalámbrica de red de sensores
• Rendimiento de las comunicaciones con nodos en movilidad
– Incremento de la potencia de transmisión
• Mejora del rendimiento: disminución del PER, aunque continúan
existiendo errores
• Incremento del consumo: impacto en la autonomía de los nodos
0 M11 M12
10
10 PER in last 5s
Accumulated PER
20
8
30
Position Y [m]
Posición Y [m]
40 6
PER [%]
50 M12
60 4
70
80 2
90 M11
100 0
0 10 20 30 40 50 60 70
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Elapsed time [s]
Position X [m] Tiempo [s]
Posición X [m] Configuración:
Pt=17dBm, hRX=5m, hTX=1.2m, T=20ms, payload=100Bytes