[en] In this thesis, a Cognitive Radio(CR)-based MAC for Industrial Wireless Sensor and Actuator Network (IWSAN) applications is proposed. IWSANs are typically used for closed-loop control applications, and they demand strict requirements in terms of time and robustness. Low latency and low error rates are required in order not to endanger persons or machinery. Moreover, these applications operate in industrial environments such as factories or transport scenarios (as aeronautics or railway) where multipath fading and shadowing are present due to metal surfaces. Furthermore, interference from other communication systems or industrial machinery is also common in these environments. The proposed MAC, based on the CR paradigm, is capable of ensuring time and robustness requirements in industrial channels. In the process of designing the CR-based MAC for IWSAN applications, a comparison between several non-CR-based MACs and CR-based MACs has been carried out. This comparison, which allows stating the benefits of CR for these applications, is presented in this thesis. The performance of every MAC is determined theoretically using Network Calculus, and it is validated through OPNET simulations. CR solutions, due to their adaptability characteristics, are capable of avoiding interference and ensuring robustness in industrial environments. However, none of the selected MACs are capable of ensuring robustness without comprising time requirements, since interference is avoided but not in a bounded time. On the other hand, the MAC proposed in this thesis is capable of avoiding interference ensuring time and robustness requirements at the same time. This MAC is therefore suitable for IWSAN applications. To ensure a deterministic behavior against interference, a novel handoff algorithm, which detects interference and hops to another channel, has been proposed. This algorithm has been designed to be used jointly with one of the evaluated MACs. The detection of the interference and the hop to another channel is done in a bounded time, because the proposed algorithm detects interference while the system is transmitting. The performance of this proposal is evaluated using Network Calculus and OPNET simulations, and the results are compared with the system without the proposed handoff algorithm. The comparison of the results shows how the evaluated MAC is only capable of ensuring both time and robustness requirements when the proposed handoff strategy is used. Moreover, the spectrum sensing algorithm used to obtain information about the environment is delved and its performance is measured through MATLAB simulations. An energy detector has been chosen due to its simplicity. Also, a cyclostationary Modulation Classifier is presented and a simplification has been carried out allowing its implementation on real hardware. The Modulation Classifier is capable of distinguishing between OFDM, QPSK and GFSK signals. The performance of the algorithm is presented in this thesis for different signals and for different receiver impairments such as frequency offset, DC offset and I/Q imbalance. Finally, a cognitive platform to validate the spectrum sensing algorithms is presented. This platform has been designed using a Xilinx Virtex 6 FPGA by a working group composed of researchers from IK4-Ikerlan and Mondragon Unibertsitatea. The platform, which uses both spectrum sensing algorithms, is an Ethernet-to-RF bridge. It has been designed to replace an Ethernet wired link by a wireless one for IWSAN applications. The proposed platform ensures a reliable communication link against interference. In the proposed implementation, the energy detector is used by the transmitter in order to find a free channel to transmit data, whereas the modulation classifier is used by the receiver in order to distinguish between the signal transmitted by the RF-Ethernet bridge and other signals. In this way the receiver can find the channel where the transmitter is carrying out the communication.

[es] En esta tesis se propone una MAC basada en el paradigma de la Radio Cognitiva (RC) para redes de sensores y actuadores inalámbricos industriales. Estas redes se suelen utilizar para aplicaciones de control en lazo cerrado, que exigen requisitos estrictos de tiempo y robustez. Para no poner en peligro la salud de las personas o la maquinaria es necesario que la red asegure una baja latencia y una tasa baja de errores. Además, al trabajar en ambientes industriales como fábricas o transportes (trenes, aviones, etc.), estas redes tienen que hacer frente a canales con mucho desvanecimiento por multitrayecto y efecto sombra debido a las superficies metálicas. También es común en estos entornos que haya interferencias de otros sistemas de comunicaciones o de la propia maquinaria industrial. La MAC propuesta en esta tesis es capaz de asegurar los requisitos temporales y de robustez demandados trabajando en este tipo de entornos. En el proceso de diseño de la MAC basada en RC para redes de sensores y actuadores inalámbricos industriales, se ha llevado a cabo una comparación de diferentes MACs diseñadas para estas redes. Se han evaluado tanto MACs basadas en RC como no basadas en ella, estableciendo las ventajas de la RC para estas aplicaciones. La evaluación se ha llevado a cabo haciendo un estudio teórico mediante Network Calculus, cuyos resultados se han validado mediante simulaciones en OPNET. Los resultados muestran como la RC es capaz de evitar interferencias y asegurar robustez en ambientes industriales. Sin embargo, ninguna de las MACs seleccionadas ha conseguido asegurar ambos requisitos, temporales y de robustez, al mismo tiempo; se puede evitar las interferencias pero no sin comprometer los requisitos temporales de la aplicación. Sin embargo, la MAC propuesta es capaz de evitar interferencias asegurando al mismo tiempo los requisitos temporales y de robustez. Por lo tanto, la MAC propuesta es apropiada para este tipo de redes. Para asegurar el comportamiento determinista del sistema, se ha propuesto un novedoso algoritmo de handoff que es capaz de detectar una interferencia y saltar a otro canal. Este algoritmo se ha diseñado para ser utilizado conjuntamente con una de las MACs previamente evaluadas. La detección de la interferencia y el salto a otro canal se hace en un tiempo determinado de tiempo, ya que es posible detectar interferencias mientras el sistema está transmitiendo. Su rendimiento se ha evaluado mediante Network Calculus y simulaciones en OPNET, y se ha comparado con los resultados obtenidos con la MAC cuando no se utiliza el esquema propuesto. De la comparación se deduce que el esquema de handoff añade a la MAC la capacidad de asegurar a la vez los requisitos temporales y de robustez. Además, en la tesis se explica el algoritmo de spectrum sensing que la MAC utiliza para obtener información del entorno, y su rendimiento se ha estudiado mediante simulaciones en MATLAB. Debido a su simplicidad, se ha optado por un detector de energía para este propósito. También se presenta un clasificador de modulaciones cicloestacionario. Este clasificador ha sido simplificado todo lo posible para posibilitar su implementación en hardware real. El clasificador de modulaciones es capaz de distinguir entre señales OFDM, QPSK y GFSK. Su rendimiento se detalla para diferentes señales y para diferentes deficiencias presentes en el receptor, como son offset de frecuencia, offset de continua o desequilibrios I/Q. Por último, se presenta una plataforma cognitiva que se ha utilizado para validar los algoritmos de spectrum sensing. Un grupo de trabajo compuesto por investigadores de IK4-Ikerlan y Mondragon Unibertsitatea ha diseñado esta plataforma sobre una FPGA Virtex 6 de Xilinx. La plataforma, que utiliza los dos algoritmos de spectrum sensing, es un puente Ethernet-RF. Su objetivo es reemplazar un enlace cableado de Ethernet por uno inalámbrico para aplicaciones de redes de sensores y actuadores industriales. Gracias a los algoritmos de spectrum sensing, la plataforma es capaz de asegurar un enlace robusto ante interferencias. El detector de energía se utiliza en el transmisor para encontrar los posibles canales libres donde transmitir la información. Mientras que el clasificador de modulaciones se utiliza en el receptor para distinguir entre la señal del transmisor y otras posibles señales. Esto permite al receptor saber en qué canal de todos los posibles está el transmisor.