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Comunicações sem-fios de tempo-real para ambientes abertos
Doutoramento em Engenharia InformáticaWireless communication technologies have become widely adopted, appearing
in heterogeneous applications ranging from tracking victims, responders and
equipments in disaster scenarios to machine health monitoring in networked
manufacturing systems. Very often, applications demand a strictly bounded
timing response, which, in distributed systems, is generally highly dependent
on the performance of the underlying communication technology. These
systems are said to have real-time timeliness requirements since data
communication must be conducted within predefined temporal bounds, whose
unfulfillment may compromise the correct behavior of the system and cause
economic losses or endanger human lives.
The potential adoption of wireless technologies for an increasingly broad range
of application scenarios has made the operational requirements more complex
and heterogeneous than before for wired technologies. On par with this trend,
there is an increasing demand for the provision of cost-effective distributed
systems with improved deployment, maintenance and adaptation features.
These systems tend to require operational flexibility, which can only be ensured
if the underlying communication technology provides both time and event
triggered data transmission services while supporting on-line, on-the-fly
parameter modification.
Generally, wireless enabled applications have deployment requirements that
can only be addressed through the use of batteries and/or energy harvesting
mechanisms for power supply. These applications usually have stringent
autonomy requirements and demand a small form factor, which hinders the use
of large batteries. As the communication support may represent a significant
part of the energy requirements of a station, the use of power-hungry
technologies is not adequate. Hence, in such applications, low-range
technologies have been widely adopted. In fact, although low range
technologies provide smaller data rates, they spend just a fraction of the energy
of their higher-power counterparts.
The timeliness requirements of data communications, in general, can be met by
ensuring the availability of the medium for any station initiating a transmission.
In controlled (close) environments this can be guaranteed, as there is a strict
regulation of which stations are installed in the area and for which purpose.
Nevertheless, in open environments, this is hard to control because no a priori
abstract
knowledge is available of which stations and technologies may contend for the
medium at any given instant. Hence, the support of wireless real-time
communications in unmanaged scenarios is a highly challenging task.
Wireless low-power technologies have been the focus of a large research
effort, for example, in the Wireless Sensor Network domain. Although bringing
extended autonomy to battery powered stations, such technologies are known
to be negatively influenced by similar technologies contending for the medium
and, especially, by technologies using higher power transmissions over the
same frequency bands. A frequency band that is becoming increasingly
crowded with competing technologies is the 2.4 GHz Industrial, Scientific and
Medical band, encompassing, for example, Bluetooth and ZigBee, two lowpower
communication standards which are the base of several real-time
protocols. Although these technologies employ mechanisms to improve their
coexistence, they are still vulnerable to transmissions from uncoordinated
stations with similar technologies or to higher power technologies such as Wi-
Fi, which hinders the support of wireless dependable real-time communications
in open environments.
The Wireless Flexible Time-Triggered Protocol (WFTT) is a master/multi-slave
protocol that builds on the flexibility and timeliness provided by the FTT
paradigm and on the deterministic medium capture and maintenance provided
by the bandjacking technique. This dissertation presents the WFTT protocol
and argues that it allows supporting wireless real-time communication services
with high dependability requirements in open environments where multiple
contention-based technologies may dispute the medium access. Besides, it
claims that it is feasible to provide flexible and timely wireless communications
at the same time in open environments. The WFTT protocol was inspired on
the FTT paradigm, from which higher layer services such as, for example,
admission control has been ported. After realizing that bandjacking was an
effective technique to ensure the medium access and maintenance in open
environments crowded with contention-based communication technologies, it
was recognized that the mechanism could be used to devise a wireless
medium access protocol that could bring the features offered by the FTT
paradigm to the wireless domain. The performance of the WFTT protocol is
reported in this dissertation with a description of the implemented devices, the
test-bed and a discussion of the obtained results.As tecnologias de comunicação sem fios tornaram-se amplamente adoptadas,
surgindo em aplicações heterógeneas que vão desde a localização de vítimas,
pessoal médico e equipamentos em cenários de desastre à monitorização da
condição física de máquinas em ambientes industrials. Muito frequentemente,
as aplicações exigem uma resposta limitada no tempo que, geralmente, em
sistemas distribuídos, é substancialmente dependente do desempenho da
tecnologia de comunicação utilizada. Estes sistemas tendem a possuir
requisitos de tempo-real uma vez que a comunicação de dados tem de ser
conduzida dentro de limites temporais pré-definidos que, quando não
cumpridos, podem comprometer o correcto funcionamento do sistema e
resultar em perdas económicas ou colocar em risco vidas humanas.
A potencial adopção de tecnologias sem-fios para um crescente número de
cenários traduz-se num aumento da complexidade e heterogeneidade dos
requisitos operacionais relativamente às tecnologias cabladas. A acompanhar
esta tendência verifica-se uma crescente procura de sistemas distribuídos,
caracterizados quer por uma boa relação custo-eficácia, quer pela simplicidade
de instalação, manutenção e adaptação. Ao mesmo tempo, estes sistemas
tendem a requerer flexibilidade operacional, que apenas pode ser assegurada
se a tecnlogia de comunicação empregue supportar transmissões de dados
dispoletadas quer por eventos (event-triggered), quer por tempo (timetriggered)
e se, ao mesmo tempo, em funcionamento, permitir a alteração dos
parâmetros de comunicação correspondentes.
Frequentemente, as aplicações com comunicações sem fios caracterizam-se
por exigências de instalação que apenas podem ser endereçadas usando
alimentação através de baterias e/ou mecanismos de recolha de energia do
ambiente envolvente. Estas aplicações têm tipicamente requisitos exigentes de
autonomia e de tamanho, impedindo o recurso a baterias de grande dimensão.
Dado que o suporte de comunicações pode representar uma parte significativa
dos requisitos de energia da estação, o uso de tecnologias de comunicação de
elevado consumo não é adequado. Desta forma, nestas aplicações, as
tecnologias de comunicação de curto-alcance tornaram-se amplamente
adoptadas uma vez que, apesar de se caracterizarem por taxas de
transmissão inferiores, consomem apenas uma fracção da energia das
tecnologias de maior alcance.
resumo
Em geral, os requisitos de pontualidade da comunicação de dados podem ser
cumpridos através da garantia da disponibilidade do meio no instante em que
qualquer estação inicie uma transmissão. Em ambientes controlados esta
disponibilidade pode ser garantida, na medida em que existe um controlo de
quais as estações que foram instaladas na área e qual a sua função.
Contrariamente, em ambientes abertos, tal controlo é difícil de garantir uma
vez que não existe conhecimento a priori de que estações ou tecnologias
podem competir pelo meio, tornando o suporte de comunicações de temporeal
um desafio difícil de implementar em cenários com estações de
comunicação não controladas.
As comunicações de baixo consumo têm sido o foco de um esforço de
investigação bastante amplo, por exemplo, no domínio das redes de sensores
sem fios. Embora possam permitir uma maior autonomia a estações baseadas
em baterias, estas tecnologias são reconhecidas como sendo negativamente
influenciadas por tecnologias semelhantes competindo pelo mesmo meio e,
em particular, por tecnologias que utilizem níveis de potência de transmissão
mais elevados em bandas de frequências comuns. De forma cada vez mais
acentuada, a banda industrial, científica e médica (ISM) dos 2.4 GHz tem-se
tornado mais saturada com tecnologias que competem entre si pelo acesso ao
meio tais como, por exemplo, Bluetooth e ZigBee, dois padrões de
comunicação que são a base de vários protocolos de tempo-real. Apesar
destas tecnologias aplicarem mecanismos para melhorar a sua coexistência,
são vulneráveis a transmissões de estações não controladas que usem as
mesmas tecnologias ou que usem tecnologias com níveis de potência de
transmissão mais elevados, impedindo, desta forma, o suporte de
comunicações de tempo-real fiáveis em ambientes abertos.
O protocolo de comunicação sem fios flexível disparado por tempo (WFTT) é
baseado numa arquitectura mestre/múltiplo escravo alavancado na
flexibilidade e pontualidade promovidas pelo paradigma FTT e na captura e
manutenção determinística do meio suportadas pela técnica de bandjacking
(captura de banda). Esta tese apresenta o protocolo WFTT e argumenta que
este permite suportar serviços de comunicação de tempo-real com requisitos
elevados de fiabilidade em ambientes abertos onde várias tecnologias de
comunicação baseadas em contenção disputam o acesso ao meio. Adicionalmente, esta tese reivindica que é possível suportar comunicações
sem-fios simultaneamente flexíveis e pontuais em ambientes abertos. O
protocolo WFTT foi inspirado no paradigma FTT, do qual importa os serviços
de alto nível como, por exemplo, o controlo de admissão. Após a observação
da eficácia da técnica de bandjacking em assegurar o acesso ao meio e a
correspondente manutenção, foi reconhecida a possibilidade de utilização
deste mecanismo para o desenvolvimento de um protocolo de acesso ao meio,
capaz de oferecer as funcionalidades do paradigma FTT em meios de
comunicação sem-fios. O desempenho do protocolo WFTT é reportado nesta
tese com uma descrição dos dispositivos implementados, da bancada de
ensaios desenvolvida e dos resultados obtidos
Integrated Framework For Mobile Low Power IoT Devices
Ubiquitous object networking has sparked the concept of the Internet of Things (IoT) which defines a new era in the world of networking. The IoT principle can be addressed as one of the important strategic technologies that will positively influence the humans’ life. All the gadgets, appliances and sensors around the world will be connected together to form a smart environment, where all the entities that connected to the Internet can seamlessly share data and resources. The IoT vision allows the embedded devices, e.g. sensor nodes, to be IP-enabled nodes and interconnect with the Internet. The demand for such technique is to make these embedded nodes act as IP-based devices that communicate directly with other IP networks without unnecessary overhead and to feasibly utilize the existing infrastructure built for the Internet. In addition, controlling and monitoring these nodes is maintainable through exploiting the existed tools that already have been developed for the Internet. Exchanging the sensory measurements through the Internet with several end points in the world facilitates achieving the concept of smart environment.
Realization of IoT concept needs to be addressed by standardization efforts that will shape the infrastructure of the networks. This has been achieved through the IEEE 802.15.4, 6LoWPAN and IPv6 standards.
The bright side of this new technology is faced by several implications since the IoT introduces a new class of security issues, such as each node within the network is considered as a point of vulnerability where an attacker can utilize to add malicious code via accessing the nodes through the Internet or by compromising a node. On the other hand, several IoT applications comprise mobile nodes that is in turn brings new challenges to the research community due to the effect of the node mobility on the network management and performance. Another defect that degrades the network performance is the initialization stage after the node deployment step by which the nodes will be organized into the network. The recent IEEE 802.15.4 has several structural drawbacks that need to be optimized in order to efficiently fulfil the requirements of low power mobile IoT devices.
This thesis addresses the aforementioned three issues, network initialization, node mobility and security management. In addition, the related literature is examined to define the set of current issues and to define the set of objectives based upon this. The first contribution is defining a new strategy to initialize the nodes into the network based on the IEEE 802.15.4 standard. A novel mesh-under cluster-based approach is proposed and implemented that efficiently initializes the nodes into clusters and achieves three objectives: low initialization cost, shortest path to the sink node, low operational cost (data forwarding). The second contribution is investigating the mobility issue within the IoT media access control (MAC) infrastructure and determining the related problems and requirements. Based on this, a novel mobility scheme is presented that facilitates node movement inside the network under the IEEE 802.15.4e time slotted channel hopping (TSCH) mode. The proposed model mitigates the problem of frequency channel hopping and slotframe issue in the TSCH mode. The next contribution in this thesis is determining the mobility impact on low latency deterministic (LLDN) network. One of the significant issues of mobility is increasing the latency and degrading packet delivery ratio (PDR). Accordingly, a novel mobility protocol is presented to tackle the mobility issue in LLDN mode and to improve network performance and lessen impact of node movement. The final contribution in this thesis is devising a new key bootstrapping scheme that fits both IEEE 802.15.4 and 6LoWPAN neighbour discovery architectures. The proposed scheme permits a group of nodes to establish the required link keys without excessive communication/computational overhead. Additionally, the scheme supports the mobile node association process by ensuring secure access control to the network and validates mobile node authenticity in order to eliminate any malicious node association. The purposed key management scheme facilitates the replacement of outdated master network keys and release the required master key in a secure manner. Finally, a modified IEEE 802.15.4 link-layer security structure is presented. The modified architecture minimizes both energy consumption and latency incurred through providing authentication/confidentiality services via the IEEE 802.15.4