A simulation model for the IEEE 802.15.4 protocol: delay/throughput evaluation of the GTS mechanism

The IEEE 802.15.4 protocol has the ability to support time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications due to the Guaranteed Time Slot (GTS) Medium Access Control mechanism. Recently, several analytical and simulation models of the IEEE 802.15.4 protocol have been proposed. Nevertheless, currently available simulation models for this protocol are both inaccurate and incomplete, and in particular they do not support the GTS mechanism. In this paper, we propose an accurate OPNET simulation model, with focus on the implementation of the GTS mechanism. The motivation that has driven this work is the validation of the Network Calculus based analytical model of the GTS mechanism that has been previously proposed and to compare the performance evaluation of the protocol as given by the two alternative approaches. Therefore, in this paper we contribute an accurate OPNET model for the IEEE 802.15.4 protocol. Additionally, and probably more importantly, based on the simulation model we propose a novel methodology to tune the protocol parameters such that a better performance of the protocol can be guaranteed, both concerning maximizing the throughput of the allocated GTS as well as concerning minimizing frame delay.

Probability distribution functions

This technical report describes the PDFs which have been implemented to model the behaviours of certain parameters of the Repeater-Based Hybrid Wired/Wireless PROFIBUS Network Simulator (RHW2PNetSim) and Bridge-Based Hybrid Wired/Wireless PROFIBUS Network Simulator (BHW2PNetSim).

On a test-bed application for the ART-WiSe framework

This report describes the development of a Test-bed Application for the ART-WiSe Framework with the aim of providing a means of access, validate and demonstrate that architecture. The chosen application is a kind of pursuit-evasion game where a remote controlled robot, navigating through an area covered by wireless sensor network (WSN), is detected and continuously tracked by the WSN. Then a centralized control station takes the appropriate actions for a pursuit robot to chase and “capture” the intruder one. This kind of application imposes stringent timing requirements to the underlying communication infrastructure. It also involves interesting research problems in WSNs like tracking, localization, cooperation between nodes, energy concerns and mobility. Additionally, it can be easily ported into a real-world application. Surveillance or search and rescue operations are two examples where this kind of functionality can be applied. This is still a first approach on the test-bed application and this development effort will be continuously pushed forward until all the envisaged objectives for the Art-WiSe architecture become accomplished.

Sistema de medição de temperatura corporal baseado em rede de sensores sem fios ANT

O presente projeto enquadra-se na área das redes de sensores sem fios, onde o seu crescente desenvolvimento permite aplicar esta tecnologia em diversas áreas, como por exemplo, na monitorização ambiental, utilização militar, domótica, saúde, entre outras. Uma rede de sensores sem fios consiste em diversos nós dispersos num campo de aplicação onde procedem à recolha de dados do ambiente em que estão inseridos, como o valor de uma temperatura, humidade ou outra grandeza física, e os transmitem para uma estação base onde podem ser monitorizados. Tendo a área da saúde uma importância significativa, este projeto focalizou-se na mesma. O projeto apresentado nesta dissertação teve como principal objetivo o desenvolvimento de uma rede de sensores sem fios, em que dois nós procedam à aquisição da temperatura corporal de uma pessoa em dois locais distintos, para posterior envio da mesma para os restantes nós da rede, onde será apresentada em estações de monitorização. Este projeto foi desenvolvido baseado num recente protocolo de redes sem fios, nomeadamente o protocolo ANTTM. Assim sendo, em primeiro lugar, serão abordados neste relatório os objetivos e a contextualização deste projeto. Em seguida, será apresentada uma comparação sobre alguns aspetos de algumas tecnologias de comunicações sem fios, nomeadamente o ZigBee, Bluetooth e ANT. Devido ao fato da tecnologia ANT ser a escolhida para o desenvolvimento deste projeto, será também apresentado um estudo mais detalhado sobre o mesmo. Depois, será apresentado o desenvolvimento e implementações efetuadas, e por último serão apresentadas as conclusões técnicas e pessoais que este projeto permitiu obter.

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes - Serviço Aplicacional

Engenharia Informática, Área de Especialização em Arquiteturas, Sistemas e Redes

Aplicação de Internet of Things em casas inteligentes: Serviços de Rede

O foco principal no estudo da Internet of Things tem sido a integração de dispositivos digitais com o mundo físico e vice-versa. Os dispositivos inteligentes têm vindo a ganhar uma forte presença na nossa vida diária e cada vez mais, tendem a integrar o sistema de uma casa, automatizando processos comuns como o controlo de temperatura ambiente ou mesmo a percentagem de luminosidade de uma divisão. A visão da IoT contempla um mundo interconectado, recolhendo informações de forma automática e possibilitando a comunicação entre dispositivos. Contudo, as tecnologias existentes para a criação de redes que albergam estes novos dispositivos carecem de padrões bem definidos, dificultando a interoperabilidade entre as diversas soluções existentes. Neste projeto são estudadas e aplicadas as tecnologias mais promissoras aplicáveis ao paradigma Internet of Things, com o objetivo de encontrar um conjunto de protocolos padrão para a implementação de sistemas de automação em casas inteligentes.1 Como objetivo final deste projeto, pretende-se criar uma rede de dispositivos com capacidades sensoriais que tenham a capacidade de comunicar com o mundo externo, permitindo o acesso à rede por qualquer tipo de utilizador. Com isso, espera-se caminhar para mais perto da padronização dos protocolos inerentes à IoT e habilitar interoperabilidade entre as mais diversas soluções. São apresentados e utilizados os protocolos que mais se adaptam ao tema escolhido, tentando simplificar a rede para que esta possa ser incluída em qualquer ambiente doméstico, recorrendo a hardware de custo reduzido. Os protocolos apresentados são o 6LoWPAN, utilizando o protocolo IEEE 802.15.4 como interface de rede juntamente com endereçamento IPv6. É também utilizado o protocolo CoAP na troca de mensagens entre os dispositivos.

Cross-Layer Admission Control to Enhance the Support of Real-Time Applications in WSN

Real-time monitoring applications may be used in a wireless sensor network (WSN) and may generate packet flows with strict quality of service requirements in terms of delay, jitter, or packet loss. When strict delays are imposed from source to destination, the packets must be delivered at the destination within an end-to-end delay (EED) hard limit in order to be considered useful. Since the WSN nodes are scarce both in processing and energy resources, it is desirable that they only transport useful data, as this contributes to enhance the overall network performance and to improve energy efficiency. In this paper, we propose a novel cross-layer admission control (CLAC) mechanism to enhance the network performance and increase energy efficiency of a WSN, by avoiding the transmission of potentially useless packets. The CLAC mechanism uses an estimation technique to preview packets EED, and decides to forward a packet only if it is expected to meet the EED deadline defined by the application, dropping it otherwise. The results obtained show that CLAC enhances the network performance by increasing the useful packet delivery ratio in high network loads and improves the energy efficiency in every network load.

Análisis y optimización del radio enlace de un sistema RFID y redes de sensores inalámbricos (WSN)

Un sistema inalámbrico en UHF puede ser utilizado tanto para la identificación de productos como para la adquisición de datos. Si se encuadra en la identificación se está refiriendo a sistemas “RFID” y si se encuadra en la adquisición de datos se está en presencia de una “Red de Sensores Inalámbrica”. El presente proyecto pretende desarrollar una plataforma de discusión permanente sobre estas tecnología que permita la optimización de los diferentes estamentos de la red. El proyecto tiene como objetivo general mejorar las prestaciones del vinculo entre los distintos elementos en un sistema RFID (Radio Frecuency Identification) o WSN (Wireless Sensor Network). En tal sentido, se propone en una primer línea de investigación, el desarrollo de un modelo que caracterice una red inalámbrica de sensores en UHF, permitiendo luego simularla bajo distintas condiciones. El objetivo es tener una herramienta con la cual se pueda estudiar y simular el comportamiento de una red con varios nodos. Una segunda línea de trabajo aborda el problema del test para sistemas RFID y WSN, con énfasis en nodos activos y pasivos diseñados con circuitos analógicos y digitales configurables y componentes comerciales. Así, se propone el desarrollo de estrategias de test de bajo consumo y alto desempeño focalizadas en las secciones analógicas, de conversión y digitales configurables del nodo. Los trabajos específicos planteados para responder a los objetivos que se pretenden son: La caracterización y modelado del enlace inalámbrico en UHF; La caracterización y modelado del transceptor en sus distintas etapas; La caracterización y modelado de la red con los distintos nodos; El estudio de nuevos diseños de antenas; El estudio de distintas adaptaciones de la etapa de RF con la antena; El estudio de alternativas de distintas modulaciones de las señales a transmitir; Proponer estrategias de simulación y/o emulación de fallas para sistemas analógicos y digitales que permita la evaluación de las estrategias de test y de los mecanismos de recuperación ante fallas; Evaluar el funcionamiento en laboratorio y en campo de los nodos y el lector

Diseño e implementación de una plataforma de red de sensores inalámbricos.

En el presente proyecto se propone el diseño e implementación de una plataforma de sensado inalámbrico. Para ello, es necesario el desarrollo de un nodo de Red de Sensores Inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Network) y su implementación (hardware y software) mediante el uso de dispositivos programables que integren recursos analógicos, digitales y de señal mixta reconfigurables. Además se propone el modelado de una interfaz de sensado para permitir la fácil adaptación de la red a diferentes aplicaciones. El concepto de abstracción de hardware es utilizado para permitir una rápida portabilidad de la misma a distintas plataformas de sistemas embebidos. Para llevar a cabo esta tarea, se debe realizar previamente una caracterización de los sensores más comúnmente utilizados en aplicaciones WSN.

Sistema domòtic basat en sensors inal·làmbrics

L'objectiu d'aquest treball de final de carrera és implementar una aplicació sobre un node de xarxa sense fils equipat amb un microcontrolador, una ràdio i un conjunt de sensors, emprant el llenguatge nesC sobre el sistema operatiu TinyOS. Aquesta proposta consisteix en un sistema domòtic que detecti si un habitacle està ocupat i permeti controlar-ne la temperatura i el nivell de il·luminació per tal de que es mantenguin dins uns valors establerts que poden ser modificats per l'usuari.

Elaboració d'un protocol basat en XML per a una xarxa de sensors

La progressiva reducció de dimensió i cost en els dispositius electrònics, la dràstica retallada de consum elèctric i la independència de què això els dota han fet créixer en els últims temps l'interès de les comunitats científiques i tecnològiques per les xarxes sense fils de petits dispositius. Per altra banda, l'XML (eXtensible Markup Language) és un metallenguatge extensible que ha esdevingut un estàndard per a l'intercanvi d'informació estructurada entre diferents plataformes. L'objectiu d'aquest treball és explorar les possibilitats que pot oferir la introducció de l'XML en les xarxes de sensors amb l'elaboració d'un protocol de comunicació basat en aquest llenguatge i demostrar la transparència en el canvi de plataforma. Per fer-ho, es disposa de dos dispositius amb capacitat de comunicació sense fils equipats amb detectors de temperatura, lluminositat, efecte Hall i nivell de càrrega de la bateria. El projecte constarà de dues parts: una, més extensa, dedicada al desenvolupament del programari per a aquests dispositius, encarregat de obtenir les lectures dels diferents sensors i emetre-les per la xarxa utilitzant el llenguatge XML, i una altra, per recollir aquesta informació present a la xarxa, interpretar-la, salvar-la en una base de dades i exposar-la al món en una plana web. El programari dels dispositius sensors s'escriurà en llenguatge nesC dins el sistema tinyOS que és el sistema operatiu que equipen. La part d'explotació de les dades es desenvoluparà sota la plataforma .NET de Microsoft.

Sistema de detecció d'incendis basat en tecnologia WSN

El projecte tracta de desenvolupar un sistema de detecció d'incendis utilitzant la tecnologia de xarxa de sensors sense fils (Wireless Sensors Network). La utilització d'aquests petits dispositius ens introdueix en el món dels sistemes encastats, un àrea en ple desenvolupament industrial i que trobem incorporada en molts productes de consum de la nostra vida quotidiana.

TinyDomus

TinyDomus es un proyecto desarrollado para el TFC Sistemas Empotrados. Utiliza la plataforma TinyOS para gestionar una red inalámbrica de sensores (motas COU), que nos permitirán monitorizar ciertos aspectos físicos (picos magnéticos), y ambientales (temperatura y luminosidad). La funcionalidad de TinyDomus es la de simular un hogar domótico. Para ello dispone de una aplicación de escritorio con la que podemos visualizar la información de los sensores de las motas, controlar el funcionamiento del sistema y solicitar información a la red de sensores.

Diseño, implementación y validación de un sistema de localización híbrido basado en una red de sensores inalámbricos (WSN)

Aquest projecte estudia la implementació d’un sistema de localització híbrid amb la combinació del posicionament GPS y el posicionament obtingut mitjançant mesures de potència rebuda (RSS) utilitzant una xarxa de sensors sense fils (WSN). Inicialment s’analitzen les característiques principals de les WSN y les tècniques de posicionament GPS y RSS. A continuació es proposen tècniques de localització híbrides que combinen el posicionament bàsic brindat per la WSN (GPS y RSS)per obtenir posicionament tant en escenaris interiors com exteriors a més d’obtenir una precisió major que les precisions bàsiques. Una vegada s’han analitzat els conceptes bàsics y s’han proposat les tècniques a utilitzar en el sistema de localització híbrida s’expliquen els aspectes d’implementació relacionats amb la programació de la WSN. Finalment, després d’analitzar els resultats de diverses mesures, queda present la necessitat de tècniques d’estimació d’error en el posicionament, per això es proposa una tècnica d’estimació d’error per ser utilitzada en les estimacions híbrides y obtenir així el funcionament desitjat de les tècniques híbrides.

An architecture for adaptive replication-based multimedia streaming in P2P networks

This PhD thesis addresses the issue of scalable media streaming in large-scale networking environments. Multimedia streaming is one of the largest sink of network resources and this trend is still growing as testified by the success of services like Skype, Netflix, Spotify and Popcorn Time (BitTorrent-based). In traditional client-server solutions, when the number of consumers increases, the server becomes the bottleneck. To overcome this problem, the Content-Delivery Network (CDN) model was invented. In CDN model, the server copies the media content to some CDN servers, which are located in different strategic locations on the network. However, they require heavy infrastructure investment around the world, which is too expensive. Peer-to-peer (P2P) solutions are another way to achieve the same result. These solutions are naturally scalable, since each peer can act as both a receiver and a forwarder. Most of the proposed streaming solutions in P2P networks focus on routing scenarios to achieve scalability. However, these solutions cannot work properly in video-on-demand (VoD) streaming, when resources of the media server are not sufficient. Replication is a solution that can be used in these situations. This thesis specifically provides a family of replication-based media streaming protocols, which are scalable, efficient and reliable in P2P networks. First, it provides SCALESTREAM, a replication-based streaming protocol that adaptively replicates media content in different peers to increase the number of consumers that can be served in parallel. The adaptiveness aspect of this solution relies on the fact that it takes into account different constraints like bandwidth capacity of peers to decide when to add or remove replicas. SCALESTREAM routes media blocks to consumers over a tree topology, assuming a reliable network composed of homogenous peers in terms of bandwidth. Second, this thesis proposes RESTREAM, an extended version of SCALESTREAM that addresses the issues raised by unreliable networks composed of heterogeneous peers. Third, this thesis proposes EAGLEMACAW, a multiple-tree replication streaming protocol in which two distinct trees, named EAGLETREE and MACAWTREE, are built in a decentralized manner on top of an underlying mesh network. These two trees collaborate to serve consumers in an efficient and reliable manner. The EAGLETREE is in charge of improving efficiency, while the MACAWTREE guarantees reliability. Finally, this thesis provides TURBOSTREAM, a hybrid replication-based streaming protocol in which a tree overlay is built on top of a mesh overlay network. Both these overlays cover all peers of the system and collaborate to improve efficiency and low-latency in streaming media to consumers. This protocol is implemented and tested in a real networking environment using PlanetLab Europe testbed composed of peers distributed in different places in Europe.