Using concurrent transmissions to improve the reliability and latency of low-power wireless mesh networks

Escobar-Molero, Antonio; Heinen, Stefan (Thesis advisor); Mähönen, Petri (Thesis advisor)

Aachen (2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (128 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Concurrent Transmissions (CT) treten auf, wenn verschiedene Sender gleichzeitig das gleiche Paket senden. Wir analysieren, wie CT die empfangene Wellenform verzerrt und charakterisieren die Bitfehlerrate (BER) eines Empfängers, der versucht, den ursprünglichen Bitstrom wiederherzustellen. Wenn Kollisionen nicht vollständig destruktiv sind und die Informationen trotzdem wiederhergestellt werden können, können einfache, robuste und latenzoptimale Wireless-Mesh-Protokolle entworfen werden. Diese Protokolle eignen sich besonders für kostengünstige und energiesparende Internet of Things (IoT)-Anwendungen, insbesondere in Szenarien mit hohen Interferenzen, in denen die Routing-Bemühungen umständlich sein können und die Überflutung effektiver wird. Die durch CT eingeführte Verzerrung hat zwei Hauptursachen. Erstens sind die gleichzeitigen Sender nicht perfekt synchronisiert, was zu Intersymbolinterferenzen (ISI) führt. Die ISI kann reduziert werden, indem die Synchronisations-Fehlanpassung unter der Hälfte der Symbolperiode gehalten wird. Zweitens gibt es ein periodisches Energiefading ("Beating") in der empfangenen Wellenform, das auf abwechselnde Muster konstruktiver und destruktiver Interferenz zurückzuführen ist. Diese Beating lassen sich nicht vermeiden, da sie durch die nicht kohärente Natur der verschiedenen Lokaloszillatoren in den Sendern entstehen. Nur Kommunikationssysteme, die mit periodischen Amplituden- und Phasenverzerrungen umgehen können, sind für CT-basierte Protokolle geeignet. Die Kommunikationsleistung wird für typische Phasen- und Frequenzmodulationssysteme analysiert, wobei der erste geschlossene analytische Ausdruck für die BER von zwei nicht kohärent empfangenen Frequency-Shift-Keying (FSK)-Übertragungen erhalten wird. Für komplexere Systeme werden simulierte BER-Kurven erhalten. Wir kommen zu dem Schluss, dass CT in Verbindung mit Amplituden- und Phasenmodulationen äußerst destruktiv sind, aber besonders gut mit FSK-Modulationen funktionieren. In nicht-kohärenten FSK-Systemen hängt die Effizienz der CT vom Pegel des externen Rauschens ab, da sie in Umgebungen mit hoher Dichte und hohem Rauschen sehr effektiv ist. Demodulatoren, die auf nicht-kohärenten FSK-Empfängern basieren, werden typischerweise in zwei populären IoT-Protokollen mit geringer Leistung verwendet: Bluetooth 5 und IEEE 802.15.4. Beide sind perfekte Kandidaten für CT-basierte Mesh-Protokolle. Schließlich werden zwei CT-basierte preisgekrönte Protokolle entworfen: RedFixHop und BigBangBus. RedFixHop ist das erste Protokoll, das das Konzept der Informationsverbreitung mit gleichzeitigen Paketbestätigungen (ACKs) verwendet, während BigBangBus die neuartige Verwendung längerer Präambeln vorschlägt, um die durch die CT eingeführte BER zu verringern. Beide Protokolle wurden in mehreren Wettbewerben getestet und haben in Bezug auf Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Ende-zu-Ende-Latenz wiederholt die modernsten Lösungen übertroffen.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-05541

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