IP based communication for wireless sensor networks

Abstract

[ANGLÈS] Performance is the most desirable aspect to be achieved in Wireless Sensor Networks (WSN). Most of the sensors used are constrained in terms of energy and memory, due to their technological characteristics. Thus, a complete need of testing as well as quality measurement is desired when deploying a large scale WSN. Many projects have been developed in different evironments: industrial monitoring as well as agricultural sensing fields have all tried to develop a high performance network of nodes. However, these low constrained nodes have always been a tricky task to manage. Indeed, the ultimate incorporation of IPv6 into WSNs has even worsened this setback. What makes then Internet protocol version 6 (IPv6) so special then? It basically offers a worldwide standard to reach any sensor from anywhere in the world at any time. It provides the possibility of connecting these sensor networks to IP based network architecture without the need for intermediate modules such as gateways or proxies. At the same time, the ultimate IPv6 protocol is considered a new version which intends to succeed its worldwide used and known predecessor IPv4. Unlike version 4, among other interesting features, this new IPv6 protocol offers the possibility of using extended addressing and therefore is able to provide global reachability to the vast wave of new connected devices. Nevertheless, the standard protocol used in WSNs made it hard to incorporate this powerful protocol. Physical and MAC layer protocol IEEE 802.15.4 amid other characteristics offered the possibility of data rates of up to 250 kbps along with a maximum payload of approximately 100 bytes. Due to this main reason, 6lowPAN adaptation layer was provided in order to adapt these low constrained peculiarities into IPv6 network layer and upper layers such as TCP and/or UDP. All of these previous hazards made it clear the need of a tool in order to help WSN developers deploy their own IP based multi hop network without needing to worry themselves. In fact, characterizing path and link behaviors in between different nodes in the network is completely a necessity in order to accomplish effectiveness for network protocols. Getting to know the way different sensors perform, communicate and interact with each other at various distances and positions helps us obtaining the best way we can deploy our network. Indeed, if we are able to maximize the performance of every node inside the network, we will surely be able not only to maximize the overall throughput but also to decrease packet loss. The obvious need for worst case design has been taken into consideration in order to measure performance measurement in our application. Different aspects such as asymmetric link qualities in sensor networks, interferences with other devices working all around the 2.4 Ghz frequency band and different signal strength indicators (such as RSSI) have all been taken into account when considering the worst case design possible. The application created divides itself into six different main fields which they will help carrying out an optimized sensor network deployment: two hop neighbor discovery for every node in the network, current state of the network topology, link and path quality between two different nodes, noise floor readings, strength measurement as well as t-test procedure implementation for observation comparison.

[CASTELLÀ] El rendimiento es el aspecto más deseable a alcanzar en las redes de sensores inalámbricos (WSN). La mayoría de los sensores utilizados están limitados en términos de energía y memoria, debido a sus características tecnológicas. Por lo tanto, existe una necesidad completa de pruebas, así como una medición de la calidad cuando se implementa una red de sensores a gran escala. Muchos proyectos se han desarrollado en diferentes contextos: control industrial, sector agrícola, campos de detección, han tratado de desarrollar una red de alto rendimiento de los nodos. Sin embargo, estos nodos de baja potencia siempre han sido una tarea difícil de manejar. De hecho, la incorporación definitiva de IPv6 en redes inalámbricas de sensores ha empeorado este contratiempo. ¿Qué es lo que hace que la versión de protocolo de Internet IPv6 sea tan especial entonces? Básicamente, ofrece un estándar mundial para llegar a cualquier sensor en cualquier parte del mundo en cualquier momento. Se ofrece la posibilidad de conectar estas redes de sensores a la arquitectura de red basada en IP, sin necesidad de módulos intermedios tales como puertas de enlace o servidores proxy. Al mismo tiempo, el último protocolo IPv6 se considera una nueva versión que tiene la intención de suceder con éxito a la ya mundialmente conocida IPv4. A diferencia de la versión 4, entre otras interesantes características, este nuevo protocolo IPv6 ofrece la posibilidad de utilizar direccionamiento extendido y por lo tanto es capaz de proporcionar accesibilidad global a la gran variedad de nuevos dispositivos conectados. Sin embargo, el protocolo estándar utilizado en redes inalámbricas de sensores hace difícil incorporar este protocolo de gran alcance. La capa física y MAC IEEE 802.15.4 ofrece la posibilidad de adquirir tasas de datos de hasta 250kbps, junto con una carga útil máxima de aproximadamente 100 bytes. Debido a esta razón principal, la capa de adaptación 6LoWPAN fue proporcionada con el fin de adaptar estas peculiaridades a la capa superior de red IPv6. Debido a las características diversas que ofrece 6LoWPAN era palpable la necesidad de una herramienta con el fin de ayudar a los desarrolladores implementar una red de sensores "multi-hop" de alta calidad. De hecho, la caracterización de ruta y los comportamientos de enlace entre los nodos en diferentes puntos de la red es una necesidad para lograr la eficacia de los protocolos de red. Conocer la forma precisa de cómo diferentes sensores se comunican e interactuan entre sí a diferentes distancias y posiciones nos ayuda a la obtención de la mejor manera que podemos desplegar nuestra red. De hecho, si somos capaces de maximizar el rendimiento de todos los nodos dentro de la red, seguramente vamos a ser capaces no sólo de maximizar el rendimiento general, sino también de disminuir la pérdida de paquetes. Los diferentes aspectos tales como la calidad de los enlaces asimétricos en redes de sensores, las interferencias con otros dispositivos que trabajan en toda la banda de frecuencia de 2,4 GHz y los diferentes indicadores de intensidad de señal (como RSSI) se han tenido en cuenta al considerar el diseño de peor caso posible. La aplicación creada se divide en seis diferentes campos principales que le ayudarán a llevar a cabo una implementación optimizada de redes de sensores: "2-hop neighbor discovery" para todos los nodos de la red, el estado actual de la topología de la red, enlace y calidad de ruta entre dos nodos diferentes, el ruido en cada canal, medición de intensidad de la señal, así como el test tipo "t" para la comparación de observaciones.

[CATALÀ] El rendiment és l'aspecte més desitjable a aconseguir a les xarxes de sensors sense fils (WSN). La majoria dels sensors utilitzats estan limitats en termes d'energia i memòria, a causa de les seves característiques tecnològiques. Per tant, existeix una necessitat completa de proves, així com un mesurament de la qualitat quan s'implementa una xarxa de sensors a gran escala. Molts projectes s'han desenvolupat en diferents contextos: control industrial, sector agrícola, camps de detecció, han tractat de desenvolupar una xarxa d'alt rendiment dels nodes. No obstant, aquests nodes de baixa potència sempre han estat una tasca difícil. De fet, la incorporació definitiva de IPv6 en xarxes sense fils de sensors ha empitjorat aquest contratemps. Què és el que fa que la versió de protocol d'Internet IPv6 sigui tan especial llavors? Bàsicament, ofereix un estàndard mundial per arribar a qualsevol sensor en qualsevol part del món en qualsevol moment. S'ofereix la possibilitat de connectar aquestes xarxes de sensors a l'arquitectura de xarxa basada en IP, sense necessitat de mòduls intermedis tals com a portes d'enllaç o servidors proxy. Al mateix temps, l'últim protocol IPv6 es considera una nova versió que té la intenció de succeir amb èxit a la ja mundialment coneguda IPv4. A diferència de la versió 4, entre altres interessants característiques, aquest nou protocol IPv6 ofereix la possibilitat d'utilitzar adreçament estès i per tant és capaç de proporcionar accessibilitat global a la gran varietat de nous dispositius connectats. No obstant això, el protocol estàndard utilitzat en xarxes sense fils de sensors fa difícil incorporar aquest protocol de gran abast. La capa física i MAC IEEE 802.15.4 ofereix la possibilitat d'adquirir taxes de dades de fins a 250 kbps, juntament amb una càrrega útil màxima d'aproximadament 100 bytes. A causa d'aquesta raó principal, la capa d'adaptació 6LoWPAN va ser proporcionada amb la finalitat d'adaptar aquestes peculiaritats a la capa superior de xarxa IPv6. A causa de les característiques diverses que ofereix 6LoWPAN era palpable la necessitat d'una eina amb la finalitat d'ajudar als desenvolupadors implementar una xarxa de sensors "multi-hop" d'alta qualitat. De fet, la caracterització de ruta i els comportaments d'enllaç entre els nodes en diferents punts de la xarxa és una necessitat per aconseguir l'eficàcia dels protocols de xarxa. Conèixer la forma precisa de com diferents sensors es comuniquen i interactuan entre si a diferents distàncies i posicions ens ajuda a l'obtenció de la millor manera que podem desplegar la nostra xarxa. De fet, si som capaços de maximitzar el rendiment de tots els nodes dins de la xarxa, segurament serem capaços no només de maximitzar el rendiment general, sinó també de disminuir la pèrdua de paquets. Els diferents aspectes tals com la qualitat dels enllaços asimètrics en xarxes de sensors, les interferències amb altres dispositius que treballen en tota la banda de freqüència de 2,4 GHz i els diferents indicadors d'intensitat de senyal (com RSSI) s'han tingut en compte en considerar el disseny de pitjor cas possible. L'aplicació creada es divideix en sis diferents camps principals que l'ajudaran a dur a terme una implementació optimitzada de xarxes de sensors: "2-hop neighbor discovery" para tots els nodes de la xarxa, l'estat actual de la topologia de la xarxa, enllaç i qualitat de ruta entre dos nodes diferents, el soroll a cada canal, mesurament d'intensitat del senyal, així com el test tipus "t" per a la comparació d'observacions.