On the use of the ZigBee protocol for wireless sensor networks

This project was developed within the ART-WiSe framework of the IPP-HURRAY group (http://www.hurray.isep.ipp.pt), at the Polytechnic Institute of Porto (http://www.ipp.pt). The ART-WiSe – Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor networks – framework (http://www.hurray.isep.ipp.pt/art-wise) aims at providing new communication architectures and mechanisms to improve the timing performance of Wireless Sensor Networks (WSNs). The architecture is based on a two-tiered protocol structure, relying on existing standard communication protocols, namely IEEE 802.15.4 (Physical and Data Link Layers) and ZigBee (Network and Application Layers) for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2, which serves as a high-speed backbone for Tier 1 without energy consumption restrictions. Within this trend, an application test-bed is being developed with the objectives of implementing, assessing and validating the ART-WiSe architecture. Particularly for the ZigBee protocol case; even though there is a strong commercial lobby from the ZigBee Alliance (http://www.zigbee.org), there is neither an open source available to the community for this moment nor publications on its adequateness for larger-scale WSN applications. This project aims at fulfilling these gaps by providing: a deep analysis of the ZigBee Specification, mainly addressing the Network Layer and particularly its routing mechanisms; an identification of the ambiguities and open issues existent in the ZigBee protocol standard; the proposal of solutions to the previously referred problems; an implementation of a subset of the ZigBee Network Layer, namely the association procedure and the tree routing on our technological platform (MICAz motes, TinyOS operating system and nesC programming language) and an experimental evaluation of that routing mechanism for WSNs.

Ferramenta de gestão de redes MESH

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Telecomunicações

Performance evaluation of a cooperative reputation system for vehicular delay-tolerant networks

In the last decade, both scientific community and automotive industry enabled communications among vehicles in different kinds of scenarios proposing different vehicular architectures. Vehicular delay-tolerant networks (VDTNs) were proposed as a solution to overcome some of the issues found in other vehicular architectures, namely, in dispersed regions and emergency scenarios. Most of these issues arise from the unique characteristics of vehicular networks. Contrary to delay-tolerant networks (DTNs), VDTNs place the bundle layer under the network layer in order to simplify the layered architecture and enable communications in sparse regions characterized by long propagation delays, high error rates, and short contact durations. However, such characteristics turn contacts very important in order to exchange as much information as possible between nodes at every contact opportunity. One way to accomplish this goal is to enforce cooperation between network nodes. To promote cooperation among nodes, it is important that nodes share their own resources to deliver messages from others. This can be a very difficult task, if selfish nodes affect the performance of cooperative nodes. This paper studies the performance of a cooperative reputation system that detects, identify, and avoid communications with selfish nodes. Two scenarios were considered across all the experiments enforcing three different routing protocols (First Contact, Spray and Wait, and GeoSpray). For both scenarios, it was shown that reputation mechanisms that punish aggressively selfish nodes contribute to increase the overall network performance.

Sensor Integration for Smart Cities Using Multi-Hop Networks

Smart Cities are designed to be living systems and turn urban dwellers life more comfortable and interactive by keeping them aware of what surrounds them, while leaving a greener footprint. The Future Cities Project [1] aims to create infrastructures for research in smart cities including a vehicular network, the BusNet, and an environmental sensor platform, the Urban Sense. Vehicles within the BusNet are equipped with On Board Units (OBUs) that offer free Wi-Fi to passengers and devices near the street. The Urban Sense platform is composed by a set of Data Collection Units (DCUs) that include a set of sensors measuring environmental parameters such as air pollution, meteorology and noise. The Urban Sense platform is expanding and receptive to add new sensors to the platform. The parnership with companies like TNL were made and the need to monitor garbage street containers emerged as air pollution prevention. If refuse collection companies know prior to the refuse collection which route is the best to collect the maximum amount of garbage with the shortest path, they can reduce costs and pollution levels are lower, leaving behind a greener footprint. This dissertation work arises in the need to monitor the garbage street containers and integrate these sensors into an Urban Sense DCU. Due to the remote locations of the garbage street containers, a network extension to the vehicular network had to be created. This dissertation work also focus on the Multi-hop network designed to extend the vehicular network coverage area to the remote garbage street containers. In locations where garbage street containers have access to the vehicular network, Roadside Units (RSUs) or Access Points (APs), the Multi-hop network serves has a redundant path to send the data collected from DCUs to the Urban Sense cloud database. To plan this highly dynamic network, the Wi-Fi Planner Tool was developed. This tool allowed taking measurements on the field that led to an optimized location of the Multi-hop network nodes with the use of radio propagation models. This tool also allowed rendering a temperature-map style overlay for Google Earth [2] application. For the DCU for garbage street containers the parner company provided the access to a HUB (device that communicates with the sensor inside the garbage containers). The Future Cities use the Raspberry pi as a platform for the DCUs. To collect the data from the HUB a RS485 to RS232 converter was used at the physical level and the Modbus protocol at the application level. To determine the location and status of the vehicles whinin the vehicular network a TCP Server was developed. This application was developed for the OBUs providing the vehicle Global Positioning System (GPS) location as well as information of when the vehicle is stopped, moving, on idle or even its slope. To implement the Multi-hop network on the field some scripts were developed such as pingLED and “shark”. These scripts helped upon node deployment on the field as well as to perform all the tests on the network. Two setups were implemented on the field, an urban setup was implemented for a Multi-hop network coverage survey and a sub-urban setup was implemented to test the Multi-hop network routing protocols, Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) and Babel.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Agents mòbils i DTN: disseny i implementació d'un protocol d'encaminament en l'entorn PROSES

En aquest projecte s’ha treballat en l’entorn PROSES, on aeroports i avions de l’espai aeri són mules de transport sobre una xarxa DTN. L’objectiu principal és estudiar i simular dos escenaris concrets: l’enviament de notícies des de les torres de control als avions, i l’enviament de canvis de rutes de vol dels avions a un aeroport en qüestió. S’ha simulat el comportament de dos protocols d’encaminament diferents sobre els escenaris creats. Per a realitzar les proves s’ha utilitzat el simulador The ONE, s’ha implementat un nou protocol d’encaminament, s’ha creat un Generador de Mapes i Rutes, i s’han realitzat amb èxit les simulacions.

Coste de los protocolos de seguridad en redes MANET

Los mecanismos de seguridad son uno de losrequisitos fundamentales para el buen funcionamiento de los protocolos de redes ad hoc móviles. En este artículo se analizan los problemas de seguridad de los protocolos de encaminamiento básicos, se describen las soluciones de seguridad existentes, y se hace un estudio del coste computacional y energético que supone para el sistema la inclusión de mecanismosde seguridad.

Estudi i implementació pràctica d'una xarxa Wifi Mesh

En el projecte ens centrarem en el funcionament de les Xarxes mallades sense fils, es fa una breu explicació de les xarxes Ad-hoc, ja que aquestes formen un part important dintre d’una xarxa Mesh. S’explicaran diversos protocols d’enrutament com ara BATMAN, AODV, 802.11s i OLSR. Aquest últim és el que utilitzarem per a la configuració de la xarxa que realitzarem. S’explicarà el tipus de paquets que s’envien entre els nodes perquè el funcionament de la xarxa sigui òptim i tots els clients puguin tenir-hi accés i estiguin connectats entre ells. Al finalitzar l’estudi teòric d’aquest tipus de xarxa i veure les seves avantatges i desavantatges respecte altres tipus de xarxes sense fils, es muntaran dos petites xarxa. Per a muntar-les utilitzarem de Punts d’Accés els nodes Ubuquiti Nanoestation LocoM2. Una de les xarxes serà al poble Bellcaire d’Urgell, on és connectaran tres cases, on només una te accés a Internet i els nodes estaran connectats en línia, es a dir, del Node1 – Node2 – Node3. La segona serà a una casa de Barcelona on mitjançant els tres nodes obtindrem una connexió d’Internet a tota la casa, en aquest cas els tres nodes estaran connectats els tres formant un cercle, es a dir, Node1-Node2-Node3-Node1. Finalment, és mirarà una proposta de futur, on es parlaria amb l’Ajuntament del poble on s’ha fet la primera proba per realitzar una Xarxa mallada sense fils a tots els llocs públics del poble.

Protocole de routage basé sur des passerelles mobiles pour un accès Internet dans les réseaux véhiculaires

La rapide progression des technologies sans fil au cours de ces dernières années a vu naître de nouveaux systèmes de communication dont les réseaux véhiculaires. Ces réseaux visent à intégrer les nouvelles technologies de l’information et de la communication dans le domaine automobile en vue d’améliorer la sécurité et le confort sur le réseau routier. Offrir un accès Internet aux véhicules et à leurs occupants peut sans doute aider à anticiper certains dangers sur la route tout en rendant plus agréables les déplacements à bord des véhicules. Le déploiement de ce service nécessite que des messages soient échangés entre les véhicules. Le routage constitue un élément crucial dans un réseau, car définissant la façon dont les différentes entités échangent des messages. Le routage dans les VANETS constitue un grand défi car ces derniers sont caractérisés par une forte mobilité entraînant une topologie très dynamique. Des protocoles ont été proposés pour étendre Internet aux réseaux véhiculaires. Toutefois, la plupart d’entre eux nécessitent un coût élevé de messages de contrôle pour l’établissement et le maintien des communications. Ceci a pour conséquence la saturation de la bande passante entrainant ainsi une baisse de performance du réseau. Nous proposons dans ce mémoire, un protocole de routage qui s’appuie sur des passerelles mobiles pour étendre Internet aux réseaux véhiculaires. Le protocole prend en compte la mobilité des véhicules et la charge du réseau pour l’établissement et le maintien des routes.

Métriques de routage dans les réseaux maillés sans fil

Ces dernières années, les technologies sans fil ont connu un essor fulgurant. Elles ont permis la mise en place de réseaux sans fil à hautes performances. Les réseaux maillées sans fil (RMSF) sont une nouvelle génération de réseaux sans fil qui offrent des débits élevés par rapport aux réseaux Wi-Fi (Wireless Fidelity) classiques et aux réseaux ad-hoc. Ils présentent de nombreux avantages telles que leur forte tolérance aux pannes, leur robustesse, leur faible coût etc. Les routeurs des RMSF peuvent disposer de plusieurs interfaces radio et chaque interface peut opérer sur plusieurs canaux distincts, c’est des RMSF multiples-radios, multiples-canaux. Ce type de réseau peut accroître de manière considérable les performances des RMSF. Cependant plusieurs problèmes subsistent et doivent être résolus notamment celui du routage. Le routage dans les RMSF demeure un défi majeur. Le but des protocoles de routage est de trouver les meilleures routes i.e. des routes qui maximisent les débits et minimisent les délais, lors de l’acheminement du trafic. La qualité des routes dans les RMSF peut être fortement affectée par les interférences, les collisions, les congestions etc. Alors les protocoles doivent être en mesure de détecter ces problèmes pour pouvoir en tenir compte lors de la sélection des routes. Plusieurs études ont été dédiées aux métriques et aux protocoles de routage dans les RMSF afin de maximiser les performances de celles ci. Mais la plupart ne prennent pas en considération toutes les contraintes telles que les interférences, le problème des stations cachées etc. Ce mémoire propose une nouvelle métrique de routage pour RMSF. Nous avons mis en place une nouvelle métrique de routage pour RMSF appelée MBP (Metric Based on Probabilities). Cette métrique est destinée aux RMSF mono-radio ou multiples-radios. Elle permet d’éviter les routes à forte ii interférence. Les résultats des simulations ont montré que MBP présente des améliorations par rapport à certaines métriques : ETT, WCETT et iAWARE qui sont connues dans le domaine.

Détection de la retransmission sélective sur les réseaux de capteurs

L'attaque de retransmission sélective est une menace sérieuse dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), en particulier dans les systèmes de surveillance. Les noeuds peuvent supprimer de manière malicieuse certains paquets de données sensibles, ce qui risque de détruire la valeur des données assemblées dans le réseau et de diminuer la disponibilité des services des capteurs. Nous présentons un système de sécurité léger basé sur l'envoi de faux rapports pour identifier les attaques de retransmission sélective après avoir montré les inconvénients des systèmes existants. Le grand avantage de notre approche est que la station de base attend une séquence de faux paquets à un moment précis sans avoir communiqué avec les noeuds du réseau. Par conséquent, elle sera capable de détecter une perte de paquets. L'analyse théorique montre que le système proposé peut identifier ce type d'attaque et peut alors améliorer la robustesse du réseau dans des conditions d'un bon compromis entre la fiabilité de la sécurité et le coût de transmission. Notre système peut atteindre un taux de réussite élevé d‟identification face à un grand nombre de noeuds malicieux, tandis que le coût de transmission peut être contrôlé dans des limites raisonnables.

Routage adaptatif et stabilité dans les réseaux maillés sans fil

Grâce à leur flexibilité et à leur facilité d’installation, les réseaux maillés sans fil (WMNs) permettent un déploiement d’une infrastructure à faible coût. Ces réseaux étendent la couverture des réseaux filaires permettant, ainsi, une connexion n’importe quand et n’importe où. Toutefois, leur performance est dégradée par les interférences et la congestion. Ces derniers causent des pertes de paquets et une augmentation du délai de transmission d’une façon drastique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et à la stabilité dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la conception d’une métrique de routage et à la sélection des passerelles permettant d’améliorer la performance des WMNs. Dans ce contexte nous proposons un protocole de routage à la source basé sur une nouvelle métrique. Cette métrique permet non seulement de capturer certaines caractéristiques des liens tels que les interférences inter-flux et intra-flux, le taux de perte des paquets mais également la surcharge des passerelles. Les résultats numériques montrent que la performance de cette métrique est meilleure que celle des solutions proposées dans la littérature. Dans une deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à certaines zones critiques dans les WMNs. Ces zones se trouvent autour des passerelles qui connaissent une concentration plus élevé du trafic ; elles risquent de provoquer des interférences et des congestions. À cet égard, nous proposons un protocole de routage proactif et adaptatif basé sur l’apprentissage par renforcement et qui pénalise les liens de mauvaise qualité lorsqu’on s’approche des passerelles. Un chemin dont la qualité des liens autour d’une passerelle est meilleure sera plus favorisé que les autres chemins de moindre qualité. Nous utilisons l’algorithme de Q-learning pour mettre à jour dynamiquement les coûts des chemins, sélectionner les prochains nœuds pour faire suivre les paquets vers les passerelles choisies et explorer d’autres nœuds voisins. Les résultats numériques montrent que notre protocole distribué, présente de meilleurs résultats comparativement aux protocoles présentés dans la littérature. Dans une troisième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d’instabilité des réseaux maillés sans fil. En effet, l’instabilité se produit à cause des changements fréquents des routes qui sont causés par les variations instantanées des qualités des liens dues à la présence des interférences et de la congestion. Ainsi, après une analyse de l’instabilité, nous proposons d’utiliser le nombre de variations des chemins dans une table de routage comme indicateur de perturbation des réseaux et nous utilisons la fonction d’entropie, connue dans les mesures de l’incertitude et du désordre des systèmes, pour sélectionner les routes stables. Les résultats numériques montrent de meilleures performances de notre protocole en comparaison avec d’autres protocoles dans la littérature en termes de débit, délai, taux de perte des paquets et l’indice de Gini.

Evolving Distributed Algorithms with Genetic Programming

Distributed systems are one of the most vital components of the economy. The most prominent example is probably the internet, a constituent element of our knowledge society. During the recent years, the number of novel network types has steadily increased. Amongst others, sensor networks, distributed systems composed of tiny computational devices with scarce resources, have emerged. The further development and heterogeneous connection of such systems imposes new requirements on the software development process. Mobile and wireless networks, for instance, have to organize themselves autonomously and must be able to react to changes in the environment and to failing nodes alike. Researching new approaches for the design of distributed algorithms may lead to methods with which these requirements can be met efficiently. In this thesis, one such method is developed, tested, and discussed in respect of its practical utility. Our new design approach for distributed algorithms is based on Genetic Programming, a member of the family of evolutionary algorithms. Evolutionary algorithms are metaheuristic optimization methods which copy principles from natural evolution. They use a population of solution candidates which they try to refine step by step in order to attain optimal values for predefined objective functions. The synthesis of an algorithm with our approach starts with an analysis step in which the wanted global behavior of the distributed system is specified. From this specification, objective functions are derived which steer a Genetic Programming process where the solution candidates are distributed programs. The objective functions rate how close these programs approximate the goal behavior in multiple randomized network simulations. The evolutionary process step by step selects the most promising solution candidates and modifies and combines them with mutation and crossover operators. This way, a description of the global behavior of a distributed system is translated automatically to programs which, if executed locally on the nodes of the system, exhibit this behavior. In our work, we test six different ways for representing distributed programs, comprising adaptations and extensions of well-known Genetic Programming methods (SGP, eSGP, and LGP), one bio-inspired approach (Fraglets), and two new program representations called Rule-based Genetic Programming (RBGP, eRBGP) designed by us. We breed programs in these representations for three well-known example problems in distributed systems: election algorithms, the distributed mutual exclusion at a critical section, and the distributed computation of the greatest common divisor of a set of numbers. Synthesizing distributed programs the evolutionary way does not necessarily lead to the envisaged results. In a detailed analysis, we discuss the problematic features which make this form of Genetic Programming particularly hard. The two Rule-based Genetic Programming approaches have been developed especially in order to mitigate these difficulties. In our experiments, at least one of them (eRBGP) turned out to be a very efficient approach and in most cases, was superior to the other representations.

A cross layer protocol for energy aware and critical data delivered applications using Wireless Sensor Networks

Environment monitoring applications using Wireless Sensor Networks (WSNs) have had a lot of attention in recent years. In much of this research tasks like sensor data processing, environment states and events decision making and emergency message sending are done by a remote server. A proposed cross layer protocol for two different applications where, reliability for delivered data, delay and life time of the network need to be considered, has been simulated and the results are presented in this paper. A WSN designed for the proposed applications needs efficient MAC and routing protocols to provide a guarantee for the reliability of the data delivered from source nodes to the sink. A cross layer based on the design given in [1] has been extended and simulated for the proposed applications, with new features, such as routes discovery algorithms added. Simulation results show that the proposed cross layer based protocol can conserve energy for nodes and provide the required performance such as life time of the network, delay and reliability.

Roteamento multicamada baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para redes de sensores sem fio

A pesquisa apresentada nesta dissertação descreve a elaboração de um protocolo de roteamento para aplicações de Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) em cidade inteligentes com forte restrição de energia e alta densidade de nodos. Através do estudo dos principais objetivos da comunicação de dados e do levantamento do estado-da-arte sobre os protocolos de roteamento e tecnologias para RSSF, a proposta contempla requisitos como: vazão de dados, confiabilidade de entrega e eficiência energética. A pesquisa apresenta em detalhes o protocolo AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), bem como sua relevância no contexto de RSSF devido a sua popularidade entre as plataformas de dispositivos comercializados. Além disso, são apresentados protocolos derivados do AODV, e a ausência de uma proposta robusta capaz de contemplar os requisitos levantados. O protocolo REL (Routing by Energy and Link Quality) é o resultado da pesquisa levantada e a proposta de solução para roteamento plano sob demanda baseado em eficiência energética e qualidade de enlace para prover um roteamento escalável, capaz de realizar balanceamento de carga e prolongar o tempo de vida da rede. O protocolo REL foi avaliado através de simulação e tesbed, a fim de garantir validação da proposta em ambiente real de escala reduzida e simulado de alta densidade. Os resultados mostraram que o protocolo REL apresenta considerável melhoria de entrega de dados através da escolha de enlaces confiáveis de transmissão e menos suscetíveis a erro, além de moderado consumo de energia capaz de prolongar o tempo de vida da rede, evitando a saturação prematura de nodos.