L'efecte de la coexistència de xarxes al comportament de xarxes de sensors sense fils

With the coming growth in Internet of Things (IoT) applications, we can expect environments with many independent networks operating in nearby locations. Wireless Sensor Networks (WSN), which have become popular during the last few years, are the main type of networks used in IoT. The IEEE 802.15.4 protocol designed for low-rate wireless personal area networks has been widely adopted for this kind of network. Together with ZigBee, this protocol is gaining increasing interest from the industry, as they are considered a universal solution for low-cost, low-power, wireless connected monitoring and control devices. Internetwork interference issues in IEEE 802.15.4 networks can be a major problem because of the extensive use of wireless channels. In this thesis, an in-depth simulation study of the internetwork interferences is performed using Castalia, a widely used network simulator. We focus on the beacon collision problem, as it has been proved to be the main cause of performance degradation for coexisting networks. We carry out a prestudy of the main node simulation parameters to setup the different scenarios. Then, we evaluate how the overlap of the active periods and the location of the nodes affect the network performance. We continue with a network coexistence analysis to study the interaction of two networks of two nodes and their performance regarding the beacon reception rate. We show that there are significantly different operation regions, depending on the network location. Following this, a probabilistic analysis is carried out in order to obtain an average beacon reception rate depending on the size of the area considered. Finally, we discuss available beacon collisions avoidance methods, taking into account the detailed simulation results. Our conclusions have theoretical and practical implications for the design of wireless sensor networks, and for the evaluation of beacon collisions avoidance schemes.Con el futuro crecimiento de aplicaciones para el Internet de las Cosas (IoT), podemos esperar entornos con múltiples redes independientes operando en localizaciones cercanas. Las redes de sensores inalámbricas (WSN), que se han convertido populares en los últimos años, son el principal tipo de redes utilizadas por el IoT. El protocolo IEEE 802.15.4, que está diseñado para redes de área personal inalámbrica de baja velocidad, ha sido ampliamente adoptado para este tipo de red. Junto con ZigBee, protocolo que está ganando cada vez más interés por parte de la industria, se consideran una solución universal para dispositivos de control y monitorización inalámbrica de bajo coste y de bajo consumo de energía. Las interferencias entre redes que utilizan el estándar IEEE 802.15.4 pueden ser un problema importante debido a la amplia utilización de los canales inalámbricos. En esta tesis, realizamos un estudio en profundidad de las interferencias entre redes utilizando Castalia, un simulador de redes ampliamente usado. Nos centramos en el problema de la colisión de balizas, ya que se ha demostrado ser la principal causa de la degradación del rendimiento de este tipo de redes. Llevamos a cabo un pre estudio de los principales parámetros de simulación de cada nodo, para configurar los diferentes escenarios. A continuación, evaluamos como la superposición de los periodos activos y la ubicación de los nodos afectan al rendimiento de la red. Continuamos con un análisis de la coexistencia de redes para estudiar la interacción de dos redes formadas por un coordinador y dos nodos, y su rendimiento en cuanto al porcentaje de recepción de balizas. Demostramos que hay diferentes regiones de operación, dependiendo de la ubicación de red. Después de esto, realizamos un análisis probabilístico para obtener una tasa media de recepción de balizas en función del área considerada. Finalmente, se discuten los métodos de evitación de colisiones de balizas disponibles, teniendo en cuenta los resultados obtenidos con las simulaciones. Las conclusiones tienen implicaciones teóricas y prácticas para el diseño de redes de sensores inalámbricos, y para la evaluación de los métodos de evitación de colisiones de balizas.Amb el futur creixement d'aplicacions per l'Internet de les Coses (IoT), podem esperar entorns amb múltiples xarxes independents operant en localitzacions properes. Les xarxes de sensors sense fils (WSN), que han esdevingut populars en els últims anys, són el principal tipus de xarxes utilitzades per l'IoT. El protocol IEEE 802.15.4, que està dissenyat per a xarxes d'àrea personal sense fils de baixa velocitat, ha estat àmpliament adoptat per a aquest tipus de xarxa. Juntament amb ZigBee, protocol que està guanyant cada vegada més interès per part de la indústria, es consideren una solució universal per dispositius de control i monitorització sense fils de baix cost i de baix consum d'energia. Les interferències entre xarxes que utilitzen l'estàndard IEEE 802.15.4 poden ser un problema important a causa de l'àmplia utilització dels canals sense fil. En aquesta tesi, realitzem un estudi en profunditat de les interferències entre xarxes utilitzant Castalia, un simulador de xarxes àmpliament usat. Ens centrem en el problema de la col·lisió de balises, ja que s'ha demostrat ser la principal causa de la degradació del rendiment d'aquest tipus de xarxes. Duem a terme un preestudi dels principals paràmetres de simulació de cada node, per tal de configurar els diferents escenaris. A continuació, avaluem com la superposició dels períodes actius i la ubicació dels nodes afecten el rendiment de la xarxa. Continuem amb un anàlisi de la coexistència de xarxes per estudiar la interacció de dues xarxes formades per un coordinador i dos nodes, i el seu rendiment pel que fa al percentatge de recepció de balises. Demostrem que hi ha diferents regions d'operació, depenent de la ubicació de xarxa. Després d'això, realitzem un anàlisi probabilístic per tal d'obtenir una taxa mitjana de recepció de balises en funció de l'àrea considerada. Finalment, es discuteixen els mètodes d'evitació de col·lisions de balises disponibles, tenint en compte els resultats obtinguts amb les simulacions. Les conclusions tenen implicacions teòriques i pràctiques per al disseny de xarxes de sensors sense fils, i per a l'avaluació dels mètodes d'evitació de col·lisions de balises