Reliable data streams in the presence of external interference
Creators: name: Meyer, Florian
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2018
Subjects: subject: Reliable data transmission
subject: Wireless sensor networks
subject: Bluetooth Low Energy
subject: IEEE 802.15.4 DSME
subject: Markov model
subject: External interference
subject: 004: Informatik
subject: 004

description: Vermaschte Netzwerke, als ein Mittel zur drahtlosen Kommunikation in großen industriellen Anwendungen, haben über die letzten Jahre mehr und mehr an Popularität gewonnen. Dabei stellen diese Anwendungen neue Anforderungen an die konventionellen drahtlosen Lösungen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit und Voraussagbarkeit unter dem Einfluss externer Störungen, besonders bei der Kontrolle und Überwachen von sicherheitskritischen Systemen. Viele Anwendungen verlangen gar eine vollständig verlustfreie Datenübertragung, in dem Sinne, dass jedes auf der Anwendungsschicht versendete Paket schlussendlich beim Empfänger ankommt. Diese kann hauptsächlich durch das erneute senden von Paketen im Verlustfall und eine Anpassung der Datenrate erreicht werden, sodass keine Pakete durch überlaufende Warteschlagen verloren gehen. Im Laufe dieser Arbeit werden zwei populäre Protokolle für die Anwendung in vermaschte Netzwerken und industriellen Anwendungen ausgewertet im Bezug auf ihre Performanz unter dem Einfluss von externen Störungen. Bei diesen handelt es sich um Bluetooth Low Energy und IEEE 802.15.5 DSME. Es wird ein theoretisches Model entwickelt, welches es erlaubt, die maximale Anzahl von erneuten Übertragungen der Pakete in einer vermaschten Umgebung zu berechnen, sodass eine verlustfreie Datenübertragung garantiert ist. Darüber hinaus wird das Model bezüglich verschiedener Metriken ausgewertet und ein Vergleich der Performanz beider Protokolle unter dem Einfluss externer Störungen wird gegeben. Als einen zweiten Beitrag wertet eine Reihe von Hardwareexperimenten, mit und ohne Einfluss von künstlich erzeugten externen Störungen, den Einfluss dieser unter realistischen Bedingungen aus. Die Resultate des theoretischen Models und der Hardwareexperimente werden verglichen und zeigen eine gute Übereinstimmung. Zu guter Letzt werden zwei Mechanismen, aufgesetzt auf der Bluetooth Low Energy Anwendungsschicht, eingeführt, welche die Performanz und Zuverlässigkeit unter dem Einfluss externer Störungen noch einmal deutlich erhöhen.
description: Wireless mesh networks, as a tool for the wireless communication in large industrial applications, gained more and more popularity over the last few years. Thereby, these applications introduce new demands on the wireless solutions regarding their reliability and predictability in the presence of external interference, especially in the controlling and monitoring of safety critical systems. Additionally, many applications require a loss-free data transmission, in the sense that every packet sent at the application layer will eventually arrive at the receiver. This can mainly be achieved by retransmitting packets until they are successfully delivered and lowering the throughput of the application, so that no packet loss occurs due to queue drops. In the course of this thesis, two popular protocols for the application in wireless mesh networks and industrial applications are examined regarding their performance in the presence of external interference, namely Bluetooth Low Energy and IEEE 802.15.4 DSME. For these, a theoretical model is developed, which allows the calculation of the maximum transmission rate of an application in a multi-hop environment, so that a loss-free transmission is guaranteed. Furthermore, the model is evaluated with respect to different metrics and parameters and a comparison of the performance of the two protocols in the presence of external interference is provided. As a second contribution, a series of hardware experiments with and without artificially generated interference is conducted to assess the influence of interference under realistic conditions. The results are compared to the model and show good conformance. Finally, two mechanisms on top of the Bluetooth Low Energy application layer are introduced that significantly increase its reliability and performance in the presence of external interference.