Implementation and Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 Protocol

Projecte final de carrera fet en col.laboraciço amb KTH School of Electrical EngineeringEnglish: In recent years, wireless sensor networks have attracted great interest of both academy and industry due to the wide range of contexts in which they can be used. Considering the large number of applications and huge-scale deployments wireless sensor networks have been envisioned, standardization is a critical issue to guarantee the interoperability among platforms. The IEEE 802.15.4 has become the most notable standard for wireless sensor networks and many software and hardware platforms are based on it. The implementation and performance analysis of this standard is essential to understand the fundamental limitations of it. Moreover, evaluation tools play an important role to test new algorithms and other protocols based on this standard. Simulation is one the most valuable tools in protocol prototyping design and evaluation. Although there are many simulators available for wireless networks, many of them are not user-friendly programmable. On the other side, MATLAB becomes very popular in different fields since it provides a powerful and easy to use environment. However, the number of wireless sensor network simulators built on it is scarce. In this thesis, a new simulator is developed using MATLAB for IEEE 802.15.4 protocol which combines simplicity and accuracy. The performance of the simulator in terms of packet delivery rate and average delay is compared with an analytical model that considers all the key aspects of the standard. The simulator also provides a graphic user interface that allows the user to define and draw network topologies. Moreover, the simulator includes a debugging tool which permits to see graphically the 802.15.4 PHY and MAC events occurred during the simulation. This allows the user to analyze the underlying communication among the nodes. Furthermore, although some practical software implementations of IEEE 802.15.4 protocol are available, there is no explicit comparison with their theoretical bound of the network performance. TKN15.4 is the most advanced software implementation. However, its validation through theoretical models has not been studied before. The performance of TKN15.4 is evaluated and compared with the proposed analytical model. The impact of the known clock drift is also analyzed for TKN15.4. Significant misalignments of the slot boundaries and loss of beacon frames are observed, resulting in a certain gap with the theory.Castellano: En los últimos años, las redes de sensores inalámbricos han despertado el interés tanto del ámbito académico como militar debido al amplio abanico de contextos en las que pueden ser utilizadas. Considerando el elevado número de aplicaciones y los despliegues a gran escala para los que las redes de sensores inalámbricos han sido concebidos, la estandarización es un aspecto fundamental para garantizar la interoperabilidad entre las distintas plataformas. El IEEE 802.15.4 se ha convertido en el más destacado de los estándares para redes de sensores inalámbricos y son muchas de las plataformas tanto hardware como software que están basadas en éste. La implementación y el análisis del rendimiento de este estándar resulta esencial para entender las limitaciones fundamentales del mismo. Además, en este contexto, las herramientas de evaluación juegan un papel importante para probar nuevos algoritmos u otros protocolos basados en este estándar. La simulación es una de las herramientas más valiosas en cuanto al diseño y evaluación de protocolos se refiere. Aunque en la actualidad existen distintos simuladores, muchos de ellos no son fáciles de usar y programar. Por otra parte, MATLAB es popular en diferentes áreas principalmente debido a su facilidad de uso y versatilidad. No obstante, el número de simuladores disponibles para redes de sensores inalámbricos basados en este entorno es escaso. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo simulador para MATLAB basado en el protocolo IEEE 802.15.4, el cual combina simplicidad y exactitud al mismo tiempo. El rendimiento del simulador en términos de fiabilidad y retardo promedio ha sido comparado con un modelo analítico que considera todos los aspectos clave del estándar. El simulador también ofrece una interfaz gráfica de usuario que permite definir y dibujar las topologías de red. Además, el simulador incluye una herramienta de depuración que permite ver gráficamente los distintos eventos a nivel de la capa física y MAC acontecidos durante la simulación. Esto permite al usuario el análisis de la comunicación subyacente entre nodos. Por otra parte, aunque hay disponibles algunas implementaciones software del protocolo IEEE 802.15.4, no existe ninguna comparación explícita de su bondad de acuerdo modelos teóricos. La implementación software TKN15.4 es la más avanzada pero tampoco ha sido validad a través de modelos teóricos. En esta tesis, el rendimiento del TKN15.4 ha sido evaluado y comparado con el modelo analítico propuesto. El impacto del ya conocido clock drift es también estudiado. Des-alineamientos significativos de los slots así como pérdidas de tramas de tipo beacon son observados, produciendo una cierta diferencia con la teoria.Català: En els darrers anys, les xarxes de sensors inal·làmbrics han captat l'interès tant de l'àmbit acadèmic com industrial degut a l'ampli ventall de contexts en les que poden ser utilitzades. Considerant l'elevat nombre d'aplicacions i els desplegaments a gran escala en els que les xarxes de sensors inal·làmbrics han estat concebudes, l'estandardització és un aspecte fonamental per garantir la interoperabilitat entre les diverses plataformes. El IEEE 802.15.4 ha esdevingut com el més destacat dels estàndards per xarxes de sensors inal·làmbrics i són moltes de les plataformes tant hardware com software que es basen en aquest. La implementació i la anàlisi del rendiment d'aquest estàndard resulta essencial per tal d'entendre les limitacions fonamentals del mateix. A més, en aquest context, les eines d'avaluació juguen un paper important alhora de provar nous algorismes o altres protocols basats en aquest estàndard. La simulació és una de les eines més valuoses en quan al disseny i avaluació de protocols. Tot i que en l'actualitat existeixen diversos simuladors, molts d'ells no són fàcils d'utilitzar i programar. Per altra banda, MATLAB esdevé molt popular en diferents àrees principalment per la seva facilitat i versatilitat. No obstant això, el nombre de simuladors disponibles per xarxes de sensors inal·làmbrics basats en aquest entorn és escàs. En aquesta tesi ha estat desenvolupat un nou simulador per a MATLAB basat en el protocol IEEE 802.15.4, el qual combina simplicitat i exactitud a la vegada. El rendiment del simulador en termes de fiabilitat i retard pro-mig ha estat comparat amb un model analític que considera tots els aspectes clau de l'estàndard. El simulador també ofereix una interfície gràfica d'usuari que permet definir i dibuixar les topologies de xarxa. A més, el simulador inclou una eina de depuració que permet veure gràficament els diversos esdeveniments a nivell de la capa física i MAC transcorreguts al llarg de la simulació. Això permet l'usuari la anàlisi de la comunicació subjacent entre nodes. Per altra banda, tot i que hi ha disponibles algunes implementacions software del protocol IEEE 802.15.4, no existeix cap comparació explícita de la seva bondat d'acord els models teòrics. La implementació software TKN15.4 és la més avançada però, tot i així, la seva validació a través de models teòrics no ha estat estudiada anteriorment. En aquesta, tesi el rendiment del TKN15.4 ha sigut avaluat i comparat amb el model analític proposat. L'impacte del ja conegut clock drift és també analitzat. Desalineaments significatius dels slots així com pèrdues de trames tipus beacon són observats, produint una certa diferència amb la teoria