km-scale Industrial Networking

Jonathan Mauricio Munoz Soto

Résumé

The Internet of Things (IoT) aims to provide connectivity to millions of devices used in our day-to-day life. For the vast majority of applications, wired connections are unpractical and too expensive, therefore wireless connections is the only feasible way to provide connectivity to the devices. One of many wireless solutions is the standard IEEE802.15.4, specially designed for low power mesh networks. This standard is widely used for Smart Building, Home Automation and Industrial Applications. A subsequent amendment, the IEEE802.15.4g, defines 3 PHYs (FSK, OFDM and O-QPSK). This targets Smart Utility Networks(SUN) applications, i.e., Smart Metering, while providing extended coverage. In this thesis, we analyse the use of this standard outside the SUN environment and onto Industrial Networking applications. First, we conduct a series of experiments using IEEE802.15.4g compliant devices in order to measure the range coverage on radio links in real use case outdoor scenarios. Results show that highly reliable communications with data rates up to 800 kbps (with OFDM) can be achieved in urban environments at 540 m between nodes, and the longest useful radio link is obtained at 779 m (FSK). Second, regarding the robustness and high data rate of OFDM, we compare the performance of the IEEE802.15.4 with the IEEE802.15.4g OFDM in Smart Building scenarios. From experiments, we determine that IEEE802.15.4g OFDM outperforms IEEE802.15.4 and should be considered as a solution for further deployments in combination with a TSCH MAC approach. Finally, we introduce the concept of Network Agility: nodes that can dynamically change their PHY according to their needs and circumstances.

L'Internet des objets (IoT) a pour objectif de fournir une connectivité à des millions d'appareils utilisés au quotidien. Pour la majorité des applications, les connexions filaires sont peu pratiques et trop coûteuses. Par conséquent, les connexions sans fil sont le seul moyen réalisable de fournir une connectivité aux dispositifs. Une des nombreuses solutions sans fil est la norme IEEE802.15.4, conçue pour les réseaux maillés de faible consommation. Cette norme est largement utilisée pour les bâtiments intelligents, la domotique et les applications industrielles. Un amendement ultérieur, IEEE802.15.4g, définit 3 PHY (FSK, OFDM et O-QPSK). Cela cible les applications SUN (Smart Utility Networks), c’est-à-dire le comptage intelligent, tout en offrant une couverture étendue. Dans cette thèse, nous analysons l'utilisation de cette norme en dehors de l'environnement SUN et sur des applications industrielles. Premièrement, nous menons une série d’expériences avec IEEE802.15.4g-dispositifs afin de mesurer la portée des liens dans des scénarios extérieurs réels. Les résultats montrent que des communications très fiables avec des débits jusqu'à 800 kbps (avec OFDM) peuvent être atteintes en milieu urbain à 540 m entre les nœuds, et que la liaison radio la plus longue utile est obtenue à 779 m (FSK). Deuxièmement, nous comparons les performances de la norme IEEE802.15.4 à celle de la norme IEEE802.15.4g OFDM dans les bâtiments intelligents. A partir d'expériences, nous avons déterminé que l'OFDM IEEE802.15.4g surpasse l'IEEE802.15.4 et doit être considéré comme une solution pour les déploiements ultérieurs. Enfin, nous introduisons le concept du réseau agile: des nœuds pouvant modifier dynamiquement leur PHY en fonction de leurs besoins et de leur situation.