Desenvolvimento de sistemas de comunicações codificados por wavelets e baseados no padrão IEEE 802.15.4 para sistemas de controle por redes de sensores sem fio industrial - Gama, Felipe Oliveira Simões (2021)
Com o advento da Indústria 4.0, a comunicação sem fio se tornou uma tendência para a transmissão de sinais em ambientes industriais, poupando recursos e possibilitando novas aplicações quando comparada com sistemas de comunicações cabeados. Nesse contexto, a transmissão de dados entre sensor e controlador dentro de malhas de controle que utilizam nós interconectados por enlace sem fio fica susceptível aos efeitos degenerativos produzidos pelos múltiplos percursos de propagação. No entanto, a maioria dos padrões das redes de sensores sem fio industrial não fornecem nenhum controle de correção erro, o que seria útil para melhorar a confiabilidade e eficiência. Com o objetivo de minimizar esses efeitos destrutivos característicos dos canais sem fio, várias técnicas têm sido investigadas recentemente. Dentre elas, a codificação wavelet se apresenta como uma boa alternativa para os nós interconectados por enlace sem fio, devido a sua robustez aos efeitos do canal sem fio e por sua baixa complexidade computacional. Este trabalho é baseado em uma abordagem que explora as matrizes wavelets para o projeto de filtros de resposta ao impulso finito (Finite Impulse Response - FIR) utilizados na codificação dos sinais complexos gerados pela camada física do protocolo IEEE 802.15.4. Com isso, é proposto um novo sistema de transmissão que ainda é baseado no protocolo IEEE 802.15.4, o que permite manter a interoperabilidade com sistemas legados e ainda alcançar desempenho superior a esses quanto aos requisitos necessários para o estabelecimento de sistemas de controle por redes sem fio. Especificamente, o sistema proposto aumenta a confiabilidade da comunicação e diminui os eventos de retransmissão por erros provocados pelo canal sem fio sobre os pacotes de dados transmitidos. Em particular, os atrasos de comunicação derivados destes eventos de retransmissão interferem gravemente no sistema de controle, por não garantir as restrições temporais do sinal de controle. Além disso, um ponto importante quanto ao desempenho do sistema proposto é a possibilidade de melhorar a confiabilidade da comunicação sem diminuição da eficiência espectral. Aliado a isso, o sistema proposto também possibilita uma atuação adaptativa em termos da taxa de codificação e parâmetros da matriz wavelet, sem aumento significativo da complexidade de implementação. O sistema de comunicação proposto foi implementado utilizando o conceito de rádio definido por software no ambiente de desenvolvimento GNU Radio, com objetivo de demonstrar a viabilidade da implementação do sistema proposto em um sistema real de comunicação. O desempenho do sistema de comunicação foi avaliado em termos de probabilidade de erro de bit (bit error rate, BER) versus Eb/N0 e de eficiência espectral, considerando um modelo de canal variante no tempo com desvanecimento Rayleigh plano. Além disso, os efeitos do sistema de transmissão foram considerados na análise de controlabilidade de um sistema de controle.