An Effective AP Placement Scheme for Reliable WiFi Connection in Industrial Environment

Abstract

As the wireless communication systems provide higher data rates and extended services, especially for mobile users/devices, they replace rapidly the wired ones. However, for some mission-critical applications in industrial environments, the engineers are unwilling to adopt the wireless system because of the low reliability of wireless link in comparison of wired link. A solution for increasing the reliability of wireless system is using backup wireless link(s). In this case, the adequate locations of access points (APs) of the wireless network can be different from those of the single link case. In this paper, we consider mobile devices/systems carrying out very critical missions, by using WiFi in the hostile indoor radio propagation environments (for example, mobile robots in the automated factories). We propose an effective scheme for placing the APs for a given service area, which aims (1) to ensure that a mobile user can maintain at least two simultaneous links with different APs, respectively, on every point of its moving path and; (2) to lessen the number of APs installed in a whole service area. We design a heuristic scheme based on the optimization approach. A practical merit of the proposed scheme is that the channel model and/or the AP coverage are not need to be pre-assumed or pre-measured. For evaluating the performance, the scheme is implemented and tested in a real environment. The experimental results show that the proposed heuristic scheme successfully achieves the design goals and its performance is comparable with that of the theoretically optimal placement.

무선 통신 시스템이 모바일 유저와 디바이스에 더 높은 데이터 속도와 확장된 서비스들을 제공하면서, 유선 시스템을 빠르게 대체하고 있다. 그러나 공학자가 산업 환경 내에서 몇몇 미션 크리티컬 애플리케이션을 지원하는 시스템을 설계하는 경우, 무선 통신 시스템의 이점에도 불구하고 무선 링크가 유선 링크보다 안정성이 떨어지기 때문에 무선 통신 시스템을 채택하는 것을 꺼리게 된다. 따라서 무선 통신 시스템의 안정성을 높이는 것은 산업 환경에서 미션 크리티컬 애플리케이션을 지원하는 무선 통신 시스템을 설계하는데 필수적이다. 무선 통신 시스템의 안정성을 높이는 방법 중의 하나로 백업 링크를 사용할 수 있는데, 이러한 방식을 사용하는 경우 단일 링크 만을 지원할 때의 AP 배치와 다른 배치가 요구된다. 본 논문에서는 적대적인 실내 무선 전파 환경에서 와이파이(WiFi)를 사용하여 모바일 장치/시스템이 매우 중요한 임무를 수행하는 상황(예: 자동화된 공장의 모바일 로봇)을 고려하여, (1) 모바일 유저가 이동하는 경로의 모든 지점에서 각각 다른 AP와 적어도 2개 이상의 링크를 유지할 수 있도록 하고, (2) 전체 서비스 영역에 설치되는 AP의 수를 최소화하도록 주어진 영역에서 AP를 배치하는 효율적인 체계를 제안한다. 이러한 체계는 최적화 접근법에 기반한 휴리스틱 알고리즘으로 설계되었다. 제안된 방식은 채널 모델이나 AP 커버리지를 사전 정의하거나 사전 측정하지 않기 때문에 비용 측면에서 효율적이면서 실제 환경을 잘 반영한다. 제안된 체계는 실제 환경에서 구현되었으며, 실제 환경에서 실험에 의해 성능 평가가 이루어졌다. 실험 결과를 통해 제안된 휴리스틱 AP 배치 체계가 디자인 목표를 달성할 뿐만 아니라 이론상 최적의 배치 결과와 큰 차이가 없다는 것을 보였다.