Autonomes Kanalwechseln: Auf dem Weg zu effizientem Spektrum-Sharing für industrielle drahtlose Sensornetzwerke

Industrielle drahtlose Sensornetzwerke (IWSNs) haben sich verpflichtet, die Automatisierung der Industrie in das Zeitalter von Industrie 4.0 zu bringen, indem sie die allgegenwärtige Wahrnehmung bereitstellen, um die Produktionseffizienz zu verbessern. Die Verbreitung drahtloser Geräte in industriellen Anwendungen macht das Spektrum-Sharing im begrenzten Industrie-, Wissenschafts- und Medizinbereich (ISM-Band) zu einem herausfordernden Problem. In diesem Papier wird der intrinsische Einfluss der Gleichmäßigkeit der Spektrumnutzung auf die Leistung des Spektrum-Sharings in Bezug auf die Kanalzugangswahrscheinlichkeit, die Spektralausnutzung und die Fairness der Spektrumnutzung untersucht. Um die explizite Beziehung zwischen der Gleichmäßigkeit und der Leistung des Spektrum-Sharings zu erforschen, wird zunächst ein neues Konzept des Gleichgewichts definiert, um die erreichbare beste Gleichmäßigkeit der Spektrumnutzung darzustellen. Anschließend wird eine Regelmenge namens lokal Gleichgewichts-geführtes autonomes Kanalwechseln (LEQ-AutoCS) entwickelt, mit der jeder zugegriffene Sensor autonom die lokalen Kanalbelegungen innerhalb seines Spektrum-Überwachungsbereichs ohne zusätzlichen Aufwand für den Austausch der Spektrum-Überwachungsberichte der Sensoren ausgleicht. Es wird weiter bewiesen, dass das Gleichgewicht auf diese nachgiebige Weise erreicht werden kann. Theoretische Analysen und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen LEQ-AutoCS-Regeln eine höhere Ausnutzung und Fairness der Spektrumnutzung im Vergleich zu bestehenden Ansätzen für den Spektrumzugang bieten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die LEQ-AutoCS-Regeln dem System helfen, die Spektrumzugangsverzögerung auf 1/2 der auf CSMA basierenden Systeme und 1/50 der auf TDMA basierenden Systeme zu reduzieren.