Credibility problems and tradeoff between realistic and abstraction in WANET and WSN Simulation

Wireless network Simulation is challenging due to the effect of the dynamic and fading channel. The task is even more challenging in Wireless Sensor Network (WSN), adding the factor of energy source limitation. Validating simulation results with real implementation are still an unresolved question in wireless research in general and in particular WSN. There are few standard procedures to follow which guarantee accuracy and credibility in terms of answering the question in hands. On one hand, simulation results are aimed towards as realistic as possible conforming to real world implementation. On the other hand, abstraction can eliminate the fragmentation of hardware prototypes, operating system models and different simulation tools. In our research we try to tackle credibility problem in WSN with tradeoffs between realistic and abstraction, and setup the principles and guideline for practical simulations in WSN. © 2011 IEEE

Calibrating Wireless Sensor Network Simulation Models with Real-World Experiments

This paper studies the energy-efficiency and service characteristics of a recently developed energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks in simulation and on a real sensor hardware testbed. This opportunity is seized to illustrate how simulation models can be verified by cross-comparing simulation results with real-world experiment results. The paper demonstrates that by careful calibration of simulation model parameters, the inevitable gap between simulation models and real-world conditions can be reduced. It concludes with guidelines for a methodology for model calibration and validation of sensor network simulation models

Techniques de conservation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil, peu onéreux et pouvant être configurés pour former des réseaux autonomes. Les domaines d'application sont nombreux : domotique, santé, domaine militaire ou bien encore surveillance de phénomènes environnementaux. Les limites imposées sont la limitation des capacités de traitement, de stockage et surtout d'énergie. La liberté laissée à l'implantation est forte et impose de concevoir complètement l'infrastructure, les mécanismes et les protocoles en fonction de l'application visée. Dans cette thèse, nous nous sommes tout d'abord focalisés sur des réseaux de petites tailles. Nous avons conçu une solution protocolaire "Placide" pour le suivi de la chaîne du froid proposée dans le cadre du projet ANR-CAPTEURS. L'originalité première de la solution repose sur l'absence d'infrastructure et de Station de Base. Elle est composée de protocoles performants fondés sur la formation d'un anneau virtuel entre les noeuds, auto-organisants et très économes en énergie. Le second axe est dédié à une étude expérimentale de la qualité du lien.L'objectif est double. Nous souhaitions tout d'abord étayer certaines hypothèses effectuées dans la première partie du travail. Il s'agissait ensuite de proposer des protocoles et des algorithmes fondés sur la qualité du lien. Nous nous sommes focalisés sur la variation de la qualité du lien en fonction de la distance entre les noeuds et de la puissance de transmission. Par la suite, l'impact de la qualité du lien sur la topologie du réseau a été étudiée. Les retours d'expérience sont importants quant à la compréhension des facteurs affectant la durée de vie du réseau. La dernière contribution concerne l'exploitation de ces observations en proposant des stratégies de partage decharge. Notre idée est que des protocoles très réduits et des mécanismes simples peuvent être mis en oeuvre pour le routage. Nous illustrons ces principes au travers d'exemples pour lesquels nous montrons la supériorité de ces solutions par rapport à des routages de type plus court chemin. ABSTRACT : Technological advances during the last few years allowed the development of new and cheap sensors equiped with wireless communication which can be configured to form autonomous networks. The application areas for wireless sensor networks (WSN) are various: home automations, health care services, military domain, and environment monitoring. The imposed constraints are limited capacity of processing, storage, and especially energy. In addition, implementing WSN solutions is highly open and requires that the infrastructure, the mechanisms and the protocols should be completely designed based on each specific application.In this thesis, we first focused on small networks. We designed « Placide », a protocol stack solution for cold chain monitoring proposed within the ANR-CAPTEURS project. The first originality of this solution is based on the absence of infrastructure and base stations. « Placide » is composed of self-organizing and energy-efficient protocols based on a virtual ring construction between nodes. The second topic is devoted to an experimental study on Link Quality Indicator (LQI). There are two main objectives. Firstly, we want to endorse our precise assumptions of the first part of the work. Secondly, our poposed link quality based protocols and algorithms willbe described. We focused on LQI variations according to distance between nodes and transmission power.Thereafter, the impact of LQI on the network topology has been studied. Feedbacks are important to understand which factors affect the network lifetime. The last contribution relates to the use of these observations by proposing load balancing strategies. Our idea is that very reduced protocols and simple mechanisms can be used in routing protocols. We illustrate these principles through simple examples where we show the superiority of these solutions compared to standard routing like shortest path for example

Untersuchung von ausbringungspezifischer Simulation zur Optimierung drahtloser Sensornetzwerke

This theses researches whether it is possible to map existing deployments to a simulator accurately enough to use simulation to optimize for this specific deployment. For this purpose DrySim was developed as an approach to achieve more realistic simulation of Wireless Sensor Networks (WSNs). DrySim has two components, RealSim and DryRun: RealSim traces the network connectivity of a deployed WSN and allows replaying it in a simulator, whereas DryRun supports exploring a configuration space by running simulations and extracting and preparing data for further analysis. Two different test beds located in office environments were used to evaluate and verify the approach. Measurements in the two test beds showed that they required different configuration options. This was reflected in simulation as well as trial results. The evaluation presents a solid data basis for three scenarios, with a total of 1320 test bed and 8800 simulation runs between 5 and 20 minutes. During the evaluation care was taken to avoid systematic or probe effects. Analysis of the test beds also revealed that the default settings of ContikiOS, a popular WSN operating system, are unsuitable for most WSN deployments. The theses also features an analysis of the impact of different components on a WSN node. Specifically it was evaluated how accurately they can and must be simulated to achieve realistic results. These studies revealed two important points: Firstly the micro controller must be emulated to achieve real time accuracy. Secondly the radio characteristics of a network cannot be predicted and thus must be measured in the final deployment. In previous work, only specific aspects of simulating WSNs were researched. The research done in the context of DrySim, however, shows that to achieve realistic WSN simulation the main components, which are software, micro controller and radio chip and the radio network, must not be treated separately. With DrySim a solution is presented that allows for realistic enough simulation to tune configuration parameters to a specific deployment, while keeping the effort of tweaking the simulation model at a minimum.Diese Arbeit untersucht, ob es möglich ist bestehendes Sensornetzwerk in einem Simulator abzubilden, so dass dieses auf im Simulator ausbringungspezifisch optimiert werden kann. Hierzu wurde DrySim entwickelt. Ein Ansatz um eine realistischere Simulation von drahtlosen Sensornetzwerken (WSN) zu erzielen. DrySim besteht aus zwei Komponenten, RealSim und DryRun: RealSim zeichnet die Netzwerkkonnektivität eines ausgebrachten WSN auf und kann diese im einem Simulator wiedergeben. DryRun hingeben kann durch die Ausführung von Simulationen einen Konfigurationsraum erkunden und die gewonnenen Daten aufbereiten. Der Ansatz wurde in zwei Testnetzwerke, die in Büroräumen ausgebracht waren evaluiert. Die Messungen in den beiden Netzwerken haben gezeigt, dass sie unterschiedliche Konfigurationen benötigen, was sich auch in den Simulationen widergespiegelt hat. Die Evaluation präsentiert eine solide Datenbasis für drei Szenarien, mit 1320 Versuchen auf den Testnetzwerken und 8800 Simulationen zwischen 5 und 20 Minuten. Es wurde darauf geachtet den Einfluss durch systematische Fehler und die Beobachtung zu vermeiden. Die Untersuchung hat auch gezeigt, dass die Standardeinstellungen von ContikiOS, eines verbreiteten WSN-Betriebssystems für die meisten Umgebungen ungeeignet sind. Die Arbeit analysiert auch den Einfluss der verschiedenen Komponenten auf einen WSN-Knoten. Insbesondere wurde untersucht, wie akkurat diese simuliert werden können und müssen um realistische Simulationsergebnisse zu erzielen. Hierbei wurden zwei wichtige Punkte herausgearbeitet: Erstens muss der Mikrocontroller emuliert werden, um Echtzeitgenauigkeit zu erreichen. Zweitens können die Funkcharakteristiken eines Netzwerks nicht vorhergesagt werden und müssen daher vermessen werden. Vorhergehenden Arbeiten haben sich meist auf spezifische Aspekte der Simulation von Sensornetzwerken konzentriert. Die in Kontext von DrySim betriebene Forschung zeigt jedoch, dass realistische Simulationsergebnisse nur erreicht werden können, wenn die Hauptkomponenten, Software, Mikrocontroller, Radio-Chip und Funknetzwerk nicht getrennt betrachtet werden. Mit DrySim wird eine Lösung präsentiert, die es erlaubt bestehende Netzwerke so akkurat zu simulieren, dass man die Konfigurationsparameter auf dieses spezifische Netzwerk anpassen kann. Dabei bleibt der Konfigurationsaufwand bei einem Minimum

Dienstbasierte Kommunikation über unzuverlässige drahtlose Verbindungen für selbstorganisierende Sensor-Aktor-Netze

Die in dieser Arbeit vorgestellte ServiceCast-Architektur umfasst Lösungen zur dienstbasierten Adressierung und Kommuikation in drahtlosen Sensor-Aktor-Netzen. Besondere Beachtung kommt der realistischen Repräsentation und Kalibrierung des indeterministischen drahtlosen Kanals in Simulationen und dessen Auswirkungen auf Mechanismen höherer Protokolle zu. Diesen besonderen Randbedingungen wird durch neue Formen der Adressierung und Zustellung von Daten (z.B. Somecast) Rechnung getragen