Comprehensive evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC layer performance with retransmissions

Supported by IEEE 802.15.4 standardization activities, embedded networks have been gaining popularity in recent years. The focus of this paper is to quantify the behavior of key networking metrics of IEEE 802.15.4 beacon-enabled nodes under typical operating conditions, with the inclusion of packet retransmissions. We corrected and extended previous analyses by scrutinizing the assumptions on which the prevalent Markovian modeling is generally based. By means of a comparative study, we singled out which of the assumptions impact each of the performance metrics (throughput, delay, power consumption, collision probability, and packet-discard probability). In particular, we showed that - unlike what is usually assumed - the probability that a node senses the channel busy is not constant for all the stages of the backoff procedure and that these differences have a noticeable impact on backoff delay, packet-discard probability, and power consumption. Similarly, we showed that - again contrary to common assumption - the probability of obtaining transmission access to the channel depends on the number of nodes that is simultaneously sensing it. We evidenced that ignoring this dependence has a significant impact on the calculated values of throughput and collision probability. Circumventing these and other assumptions, we rigorously characterize, through a semianalytical approach, the key metrics in a beacon-enabled IEEE 802.15.4 system with retransmissions.

Safe Distributed Coordination of Heterogeneous Robots through Dynamic Simple Temporal Networks

Research on autonomous intelligent systems has focused on how robots can robustly carry out missions in uncertain and harsh environments with very little or no human intervention. Robotic execution languages such as RAPs, ESL, and TDL improve robustness by managing functionally redundant procedures for achieving goals. The model-based programming approach extends this by guaranteeing correctness of execution through pre-planning of non-deterministic timed threads of activities. Executing model-based programs effectively on distributed autonomous platforms requires distributing this pre-planning process. This thesis presents a distributed planner for modelbased programs whose planning and execution is distributed among agents with widely varying levels of processor power and memory resources. We make two key contributions. First, we reformulate a model-based program, which describes cooperative activities, into a hierarchical dynamic simple temporal network. This enables efficient distributed coordination of robots and supports deployment on heterogeneous robots. Second, we introduce a distributed temporal planner, called DTP, which solves hierarchical dynamic simple temporal networks with the assistance of the distributed Bellman-Ford shortest path algorithm. The implementation of DTP has been demonstrated successfully on a wide range of randomly generated examples and on a pursuer-evader challenge problem in simulation.

Modelling energy consumption of relay-enabled MAC protocols in ad hoc networks

To enhance the throughput of ad hoc networks, dual-hop relay-enabled transmission schemes have recently been proposed. Since in ad hoc networks throughput is normally related to their energy consumption, it is important to examine the impact of using relay-enabled transmissions on energy consumption. In this paper, we present an analytical energy consumption model for dual-hop relay-enabled medium access control (MAC) protocols. Based on the recently reported relay-enabled distributed coordination function (rDCF), we have shown the efficacy of the proposed analytical model. This is a generalized model and can be used to predict energy consumption in saturated relay-enabled ad hoc networks via energy decomposition. This is helpful in designing MAC protocols for cooperative communications and it is shown that using a relay results not only in a better throughput but also better energy efficiency.

Quality time [QoS in 802.11e]

Wireless local area networks (WLANs) based on the IEEE 802.11 standard are now widespread. Most are used to provide access for mobile devices to a conventional wired infrastructure, and some are used where wires are not possible, forming an ad hoc network of their own. There are several varieties at the physical or radio layer (802.11, 802.11a, 802.11b, 802.11g), with each featuring different data rates, modulation schemes and transmission frequencies. However, all of them share a common medium access control (MAC) layer. As this is largely based on a contention approach, it does not allow prioritising of traffic or stations, so it cannot easily provide the quality of service (QoS) required by time-sensitive applications, such as voice or video transmission. In order to address this shortfall of the technology, the IEEE set up a task group that is aiming to enhance the MAC layer protocol so that it can provide QoS. The latest draft at the time of writing is Draft 11, dated October 2004. The article describes the yet-to-be-ratified 802.11e standard and is based on that draft.

Wireless LAN : a grande questão ; 802.11a ou 802.11b?

Este trabalho apresenta, inicialmente, uma análise comparativa detalhada dos dois padrões, IEEE 802.11a e IEEE802.11b, que foram apresentados recentemente pelo IEEE na área de redes sem fio (wireless). São apresentadas as principais diferenças tecnológicas dos dois padrões, no que se refere, principalmente, à arquitetura, funções de controle, segurança, desempenho e custo de implementação destas duas tecnologias de redes wireless. São avaliados também os aspectos de interoperabilidade, quando estas redes são integradas em redes corporativas fixas, que são baseadas, principalmente, em redes Ethernet, tradicionalmente usadas em redes corporativas. São considerados também, aspectos de custo e flexibilidade de aplicação das duas tecnologias e mostram-se como estas diferenças devem ser levadas em conta em aplicações típicas de um ambiente corporativo. Finalmente, apresenta-se também, como estudo de caso, uma análise focalizada principalmente na integração da tecnologia wireless em aplicações típicas de uma grande empresa local. Consideram-se as vantagens e desvantagens de ambas as tecnologias, como solução para algumas aplicações típicas encontradas nesta empresa, e justifica-se a escolha da solução que foi adotada. Conclui-se com algumas projeções quanto ao futuro da tecnologia wireless no ambiente público e corporativo.

Análise de desempenho sobre redes IEEE 802.3/PM-AH: protoclo multicilos para automação hospitalar

Com a incorporação de conceitos da automação em ambientes hospitalares surge uma série de novos requisitos pertinentes a área médica. Dentre esses requisitos, um que merece destaque é a necessidade do estabelecimento de uma rede de comunicação segura e eficiente entre os elementos do ambiente hospitalar, visto que, os mesmos encontram-se de maneira distribuída. Nesse sentido, existe uma série de protocolos que podem ser utilizados no estabelecimento dessa rede, dentre os quais, um que merece destaque é o PM-AH (Protocolo Multiciclos para Automação Hospitalar) justamente por ser voltado a automatização de ambientes hospitalares tanto no que diz respeito ao cumprimento dos requisitos impostos nesse tipo de ambiente, como pelo fato de ser projetado para funcionar sobre a tecnologia Ethernet, padrão esse que é comumente utilizado pela rede de dados dos hospitais. Em decorrência disso, o presente trabalho aborda uma análise de desempenho comparativa entre redes PM-AH e puramente Ethernet visando atestar a eficiência do primeiro no que diz respeito ao cumprimento dos requisitos impostos pela automação hospitalar

AIGA: um ambiente integrado de gerência para redes em malha sem fio IEEE 802.11s

A Wireless Mesh Network (WMN - Wireless Mesh Network) IEEE 802.11s standard to become operational it is necessary to configure the parameters that meet the demands of its users, as regards, for example, the frequency channels, the power antennas, IPs addresses, meshID, topology, among others. This configuration can be done via a CLI (Command - Line Interface) or a remote interface provided by the equipment manufacturer, both are not standardized and homogeneous, like black boxes for the developers, a factor that hinders its operation and standardization. The WMN, as a new standard, is still in the testing phase, and tests are necessary to evaluate the performance of Path Discovery Protocol, as in this case of HWMP (Hybrid Wireless Mesh Protocol), which still has many shortcomings. The configuration and test creation in a WMN are not trivial and require a large workload. For these reasons this work presents the AIGA, a Management Integrated Environment for WMN IEEE 802.11s, which aims to manage and perform testbeds for analyzes of new Path Discovery Protocols in a WMN

Instalação de uma rede mesh metropolitana utilizando o padrão IEEE 802.11a e implementação do serviço Voip (Wman-Voip)

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Processo markoviano de decisão para alocação dinâmica de recursos e controle de admissão de conexão em redes IEEE 802.16

Este trabalho apresenta uma solução para o problema de controle admissão de conexão e alocação dinâmica de recursos em redes IEEE 802.16 através da modelagem de um Processo Markoviano de Decisão (PMD) utilizando o conceito de degradação de largura de banda, o qual é baseado nos requisitos diferenciados de largura de banda das classes de serviço do IEEE 802.16. Para o critério de desempenho do PMD é feita a atribuição de diferentes retornos a cada classe de serviço, fazendo assim o tratamento diferenciado de cada fluxo. Nesse sentido, é possível avaliar a política ótima, obtida através de um algoritmo de iteração de valores, considerando aspectos como o nível de degradação médio das classes de serviço, utilização dos recursos e probabilidades de bloqueios de cada classe de serviço em relação à carga do sistema. Resultados obtidos mostram que o método de controle markoviano proposto é capaz de priorizar as classes de serviço consideradas mais relevantes para o sistema.

A NS-2 simulation model for DNP3 protocol over IEEE 802.15.4 wireless protocol toward low cost simulation of Smart Grid applications

Faced with an imminent restructuring of the electric power system, over the past few years many countries have invested in a new paradigm known as Smart Grid. This paradigm targets optimization and automation of electric power network, using advanced information and communication technologies. Among the main communication protocols for Smart Grids we have the DNP3 protocol, which provides secure data transmission with moderate rates. The IEEE 802.15.4 is another communication protocol also widely used in Smart Grid, especially in the so-called Home Area Network (HAN). Thus, many applications of Smart Grid depends on the interaction of these two protocols. This paper proposes modeling, in the traditional network simulator NS-2, the integration of DNP3 protocol and the IEEE 802.15.4 wireless standard for low cost simulations of Smart Grid applications.

Segurança em redes sem fio: estudo sobre o desenvolvimento de conjuntos de dados para comparação de IDS

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

SMAC multi-hop mesh routing protocol using IEEE 802.15.4

This paper discusses some aspects related to Wireless Sensor Networks over the IEEE 802.15.4 standard, and proposes, for the very first time, a mesh network topology with geographic routing integrated to the open Freescale protocol (SMAC - Simple Medium Access Control). For this is proposed the SMAC routing protocol. Before this work the SMAC protocol was suitable to perform one hop communications only. However, with the developed mechanisms, it is possible to use multi-hop communication. Performance results from the implemented protocol are presented and analyzed in order to define important requirements for wireless sensor networks, such as robustness, self-healing property and low latency. (c) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Enabling Blocks for Integrated CMOS UWB Transceivers

The last decades have seen an unrivaled growth and diffusion of mobile telecommunications. Several standards have been developed to this purposes, from GSM mobile phone communications to WLAN IEEE 802.11, providing different services for the the transmission of signals ranging from voice to high data rate digital communications and Digital Video Broadcasting (DVB). In this wide research and market field, this thesis focuses on Ultra Wideband (UWB) communications, an emerging technology for providing very high data rate transmissions over very short distances. In particular the presented research deals with the circuit design of enabling blocks for MB-OFDM UWB CMOS single-chip transceivers, namely the frequency synthesizer and the transmission mixer and power amplifier. First we discuss three different models for the simulation of chargepump phase-locked loops, namely the continuous time s-domain and discrete time z-domain approximations and the exact semi-analytical time-domain model. The limitations of the two approximated models are analyzed in terms of error in the computed settling time as a function of loop parameters, deriving practical conditions under which the different models are reliable for fast settling PLLs up to fourth order. Besides, a phase noise analysis method based upon the time-domain model is introduced and compared to the results obtained by means of the s-domain model. We compare the three models over the simulation of a fast switching PLL to be integrated in a frequency synthesizer for WiMedia MB-OFDM UWB systems. In the second part, the theoretical analysis is applied to the design of a 60mW 3.4 to 9.2GHz 12 Bands frequency synthesizer for MB-OFDM UWB based on two wide-band PLLs. The design is presented and discussed up to layout level. A test chip has been implemented in TSMC CMOS 90nm technology, measured data is provided. The functionality of the circuit is proved and specifications are met with state-of-the-art area occupation and power consumption. The last part of the thesis deals with the design of a transmission mixer and a power amplifier for MB-OFDM UWB band group 1. The design has been carried on up to layout level in ST Microlectronics 65nm CMOS technology. Main characteristics of the systems are the wideband behavior (1.6 GHz of bandwidth) and the constant behavior over process parameters, temperature and supply voltage thanks to the design of dedicated adaptive biasing circuits.

IEEE 802.21: Media Independent Handover

In questo lavoro, dopo un'introduzione sul panorama contemporaneo, si è analizzato lo standard IEEE 802.21, illustrandone i motivi che hanno portato al suo sviluppo, la timeline del processo di standardizzazione, gli obbiettivi del working group, l'architettura del sistema specificato e le sue funzionalità, con particolare riguardo all'utilità in applicazioni reali, al fine di darne un giudizio completo sulla sua effettiva efficacia. Dopo aver citato qualche esempio di possibile applicazione dello standard e descritto lo stato attuale dell'arte, si è studiata una sua implementazione cross-platform chiamata ODTONE, descrivendone i vari componenti e le loro funzionalità, ma anche sottolineando le attuali mancanze per arrivare ad una implementazione completa sotto tutti i punti di vista. Successivamente si è studiata ed implementata un'applicazione, MIH-proxy, che potesse sfruttare in modo costruttivo i servizi specificati dallo standard per creare un proxy che potesse scegliere su quale interfaccia instradare i pacchetti a seconda dello stato attuale di tutti i collegamenti, realizzato in versione unidirezionale e bidirezionale. In particolare questa applicazione è in grado di restare in ascolto di cambiamenti di stato delle interfacce di rete, e.g. quando viene stabilita una connessione oppure cade, e, di conseguenza, stabilire di volta in volta quali collegamenti utilizzare per inviare dati. Nella versione bidirezionale è anche possibile far comunicare tra loro applicazioni che normalmente utilizzerebbero il protocollo di trasporto TCP attraverso un ulteriore componente, phoxy, che si preoccupa di convertire, in modo trasparente, un flusso TCP in datagrammi UDP eventualmente cifrati. Sarà quindi possibile creare un collegamento criptato ad alta affidabilità tra le applicazioni che possa sfruttare tutte le interfacce disponibili, sia per inviare, sia per ricevere.

Una rassegna delle tecnologie di rete wireless WRAN IEEE 802.22 e mobile WiMAX IEEE 802.16e

Lo scopo di questa tesi è quello di illustrare gli standard IEEE 802.22 WRAN e IEEE 802.16e Mobile WiMAX. Di questi standard verranno analizzate le caratteristiche principali, i metodi di funzoinamento ed alcuni protocolli. Nel primo capitolo viene fatta una breve spiegazione delle tecnologie wireless con un focus sullo spettro radio, sulle tecniche di modulazione dell’onda radio, sugli scenari operativi LOS, nLOS ed NLOS, sulle tecniche di duplexing e le tecniche di accesos multiplo, inoltre vengono brevente illustrate alcune delle problematiche che affliggono le trasmissioni senza fili ed infine vengono illustrate i quattro più comuni livelli di QoS. Nel secondo capitolo viene illustrato lo standard IEEE 802.22 con un focus sullo stato dell’arte della tecnologia WRAN, come si è sviluppato lo standard e per quali motivi è stato redatto, lo spettro di frequeza utilizzato e come, il funzionamento delle Cognitive Radio, i dispositivi che caratterizzano le reti WRAN e la topologia di rete utilizzata. In seguito sono spiegati nello specifico i livelli fisico e MAC e le loro caratteristiche e metodi di funzionamento. Nel terzo capitolo vengono illustrate le caratteristiche dello standard IEEE 802.16e cercando di riprendere gli stessi punti toccati nel capitolo precedente con una caratterizzazione dello standard nei suoi particolari.