Tecnologie wireless a basso consumo energetico per applicazioni industriali real-time: sfide, nuove soluzioni e direzioni future

The use of wireless technologies in industrial environments has been significantly increasing in the last years, thus paving the way to novel applications, such as Industrial Internet of Things (IIoT), that plays a significant role in connecting machines, products, and humans in the ongoing industry digitalization process that is widely-known as Industry 4.0. Wireless communication systems are attractive for several applications in the context of Industry 4.0 as they offer low cost, easy deployment and mobility support. However, wireless communication systems pose several challenges in their implementation in industrial environments. In fact, despite a significant research effort in the area of wireless networks, there are several issues that have not been satisfactorily addressed yet. For example, typical industrial applications have stringent requirements, especially in terms of reliability, timeliness, and energy consumption. The wide range of IIoT applications exploits different wireless technologies that are targeted to fulfill the requirements of specific scenarios. A common aspect of these applications is the presence of energy-limited devices (e.g., mobile devices powered by batteries), therefore, the development of low-power wireless technologies is becoming increasingly important. The main issue is that some of these technologies are not immediately applicable to industrial use cases. For example, they do not provide support for real-time communications, that is instead a fundamental requirement of the typical industrial applications. In this thesis work, innovative solutions for low-power wireless technologies are presented and described. Specifically, two specific low power wireless technologies are analyzed, i.e., Bluetooth Low Energy and LoRa. These protocols target short and long-range communication, respectively, thus the thesis provides an insightful exploration of a broad set of use cases. The aim of the thesis is to determine the suitability of these technologies for IIoT applications and to identify the key elements that can be optimized/modified to improve their performance. In particular, novel mechanisms, algorithms and protocols built upon standard communication technologies are investigated, with the aim of meeting the typical requirements of applications in the Industry 4.0 scenario. The thesis includes a broad range of assessments, such as evaluations obtained through simulations, analysis and also through experiments on proof-of-concept implementations, which prove the effectiveness and the suitability of the proposed solutions.

L’uso delle tecnologie wireless negli ambienti industriali è aumentato notevolmente negli ultimi anni, aprendo così la strada a nuove applicazioni, come quelle dell’Industrial Internet of Things (IIoT), e svolge un ruolo significativo nella connessione di macchine, prodotti e operatori umani nel corrente processo di digitalizzazione dei processi industriali, ampiamente conosciuto come Industria 4.0. I sistemi di comunicazione wireless sono interessanti per diverse applicazioni nel contesto dell’Industria 4.0 in quanto offrono bassi costi, semplice implementazione e supporto alla mobilità. Tuttavia, i sistemi di comunicazione wireless pongono diverse sfide nella loro implementazione in ambienti industriali. Infatti, nonostante un significativo sforzo di ricerca nel settore delle reti wireless, ci sono diverse questioni che non sono ancora state risolte in modo soddisfacente. Ad esempio, le tipiche applicazioni industriali hanno requisiti stringenti, specialmente in termini di affidabilità, tempestività nella consegna dei messaggi e consumo di energia. L’ampio gamma di applicazioni IIoT sfrutta diverse tecnologie wireless mirate a soddisfare i requisiti di scenari specifici. Un aspetto comune di queste applicazioni è la presenza di dispositivi con disponibilità limitata di energia (ad esempio dispositivi mobili alimentati da batterie), pertanto lo sviluppo di tecnologie wireless a basso consumo energetico sta diventando sempre più importante. Il problema principale è che alcune di queste tecnologie non sono immediatamente applicabili ai casi di utilizzo industriale. Ad esempio, non forniscono supporto per le comunicazioni real-time, requisito fondamentale nelle tipiche applicazioni industriali. In questo lavoro di tesi vengono presentate e descritte innovative soluzioni per tecnologie wireless a basso consumo energetico. Nello specifico, sono analizzate due tecnologie wireless a bassa potenza, ovvero Bluetooth Low Energy e LoRa. Questi protocolli mirano rispettivamente alle comunicazioni a breve e lungo raggio, quindi la tesi fornisce una esplorazione approfondita di una vasta serie di casi d’uso. Lo scopo della tesi è determinare l’idoneità di queste tecnologie per applicazioni IIoT e di identificare gli elementi chiave che posso essere ottimizzati/modificati per migliorarne le prestazioni. In particolare, vengono investigati nuovi meccanismi, algoritmi e protocolli basati su tecnologie di comunicazione standard con l’obiettivo di soddisfare i requisiti tipici delle applicazioni nello scenario dell’Industria 4.0. La tesi include una vasta gamma di valutazioni, sia per via analitica, sia mediante simulazioni e attraverso esperimenti con implementazioni proof-of-concept, che dimostrano l’efficacia e l’idoneità delle soluzioni proposte.