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000791687 245__ $$aUsing concurrent transmissions to improve the reliability and latency of low-power wireless mesh networks$$cvorgelegt von Antonio David Escobar Molero, MSc.$$honline
000791687 246_3 $$aVerwendung gleichzeitiger Übertragungen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Latenz von drahtlosen Low-Power-Mesh-Netzwerken$$yGerman
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000791687 300__ $$a1 Online-Ressource (128 Seiten) : Illustrationen, Diagramme
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000791687 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
000791687 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2020$$gFak06$$o2020-03-18
000791687 5203_ $$aConcurrent 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.$$lger
000791687 520__ $$aConcurrent Transmissions (CT) occur when different transmitters simultaneously send the same packet. We analyze how CT distort the received waveform and characterize the Bit Error Rate (BER) of a receiver trying to recover the original bitstream. If collisions are not completely destructive and the information can still be recovered, then simple, robust and latency-optimal wireless mesh protocols can be designed. These protocols are particularly suitable for low-cost and low-power Internet of Things (IoT) applications, especially in high-interference scenarios, where routing efforts can be cumbersome and flooding becomes more effective. Distortion introduced by CT has two main causes. Firstly, simultaneous transmitters are not perfectly synchronized, which introduces intersymbol interference (ISI). The ISI can be reduced by keeping the synchronization mismatch below half the symbol period. Secondly, there is a periodical energy fading (beating) in the received waveform due to alternating patterns of constructive and destructive interference. This beating cannot be avoided, since it is originated by the non-coherent nature of the different local oscillators in the transmitters. Only communication systems able to cope with periodical amplitude and phase distortions are suitable for CT-based protocols. Communication performance is analyzed for typical phase- and frequency-modulation systems, obtaining the first closed-form analytical expression for the BER of two non-coherently received Frequency-Shift Keying (FSK) transmissions. For more complex systems, simulated BER curves are obtained. We conclude that CT are extremely destructive in conjunction with amplitude and phase modulations, but work particularly well with FSK modulations. In non-coherent FSK systems, the efficiency of CT depends on the level of external noise, being very effective in dense and high-noise environments. Demodulators based on non-coherent FSK receivers are typically used in two popular low-power IoT protocols: Bluetooth 5 and IEEE 802.15.4. Both are perfect candidates for CT-based mesh protocols. Finally, two CT-based award-winning protocols are designed: RedFixHop and BigBangBus. RedFixHop is the first protocol using the concept of disseminating information with concurrent packet acknowledgments (ACKs), while BigBangBus proposes the novel usage of longer preambles to decrease the BER introduced by the CT. Both protocols haven been tested in multiple competitions, repeatedly beating state-of-the-art solutions in terms of energy efficiency, reliability and end-to-end latency.$$leng
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