Improvements to end-to-end performance of low-power wireless networks

Over the last decades, wireless technologies have become an important part of our daily lives. A plentitude of new types of networks based on wireless technologies have emerged, often replacing wired solutions. In this development, not only the number and the types of devices equipped with wireless transceivers have significantly increased, also the variety of wireless technologies has grown considerably. Moreover, Internet access for wireless devices has paved the way for a large variety of new private, business, and research applications. Great efforts have been made by the research community and the industry to develop standards, specifications, and communication protocols for networks of constrained devices, we refer to as Wireless Sensor Networks (WSNs). The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) defined the 802.15.4 standard for Personal Area Networks (PANs). With the introduction of an adaptation layer which makes IEEE 802.15.4 networks IPv6-capable, interconnecting billions of constrained devices has become possible and is expected to become a reality in the near future. The vision that embraces the idea of interweaving Internet technology with any type of smart objects, such as wearable devices or sensors of a WSN, is called the Internet of Things (IoT). The main goal of this thesis is the improvement of the performance of low-power wireless networks. Given the wide scope of application scenarios and networking solutions proposed for such networks, the development and optimization of communication protocols for wireless low-power devices is a challenging task: The hardware restrictions of constrained devices, specific application scenarios that may vary from one network to another, and the integration of WSNs into the IoT require new approaches to the design and evaluation of communication protocols. To face these challenges and to find solutions for them, research needs to be carried out. Mechanisms and parameter settings of communication protocol stacks for WSNs that are crucial to the network performance need to be identified, optimized, and complemented by adding new ones. The first contribution of this thesis is the improvement of end-to-end performance for IEEE 802.15.4-based PANs, where default parameter settings of common communication protocols are analyzed and evaluated with regard to their impact on the network performance. Physical evaluations are carried out in a large testbed, addressing the important question of whether the default and allowed range settings defined for common communication protocols are efficient or whether alternative settings may yield a better performance. The second contribution of this thesis is the improvement of end-to-end performance for ZigBee wireless HA networks. ZigBee is an important standard for low-power wireless networks and the investigations carried out address the crucial lack of investigation the ZigBee HA performance evaluations through physical experiments and potential ways to improve the network performance based on these experiments. Eventually, this thesis focuses on the improvement of the congestion control (CC) mechanism applied by the Constrained Application Protocol (CoAP) used in IoT communications. For the handling of the possible congestion in the IoT produced by the plethora of the devices and/or link errors innate to low-power radio communications, the default CC mechanism it lacks an advanced CC algorithm. Given CoAP's high relevance for IoT communications, an advanced CC algorithm should be capable of adapting to these particularities of IoT communications. This thesis contributes to this topic with the design and optimization of the CoAP Advanced Congestion Control/Simple (CoCoA) protocol, an advanced CC mechanism for CoAP.The investigations of advanced CC mechanisms for CoAP involve extensive performance evaluations in simulated networks and physical experiments in real testbeds using different communication technologies.En les últimes dècades, les tecnologies sense fils s'han convertit en una part important de la nostra vida quotidiana. Una àmplia varietat de nous tipus de xarxes basades en tecnologies sense fils han sorgit, sovint reemplaçant solucions cablejades. En aquest desenvolupament, no només el nombre i els tipus de dispositius equipats amb transceptors sense fils han augmentat significativament, també la varietat de tecnologies sense fils ha crescut de manera considerable. D'altra banda, l'accés a Internet per als dispositius sense fils ha donat pas a una gran varietat de noves aplicacions privades, comercials i d'investigació. La comunitat científica i la indústria han fet grans esforços per desenvolupar normes, especificacions i protocols de comunicació per a xarxes de sensors sense fils (WSNs). L'Institut d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica (IEEE) defineix l'estàndard 802.15.4 per a xarxes d'àrea personal (PAN). Amb la introducció d'una capa d'adaptació que possibilita les IEEE 802.15.4 xarxes compatibles amb IPv6, la interconnexió de milers de milions de dispositius restringits s'ha fet possible. La idea d'entreteixir la tecnologia d'Internet amb qualsevol tipus d'objectes intel·ligents, com els dispositius o sensors d'una WSN és coneguda com la Internet de les Coses (IoT). L'objectiu principal d'aquesta tesi és la millora del rendiment de les WSNs. Donada l'àmplia gamma d'escenaris d'aplicacions i solucions de xarxes proposats per a aquest tipus de xarxes, el desenvolupament i l'optimització dels protocols de comunicació per a dispositius de WSNs és una tasca difícil: les limitacions de capacitats dels dispositius restringits, escenaris d'aplicació específics que poden variar d'una xarxa a l'altra, i la integració de les WSNs a la IoT requereixen nous enfocaments per al disseny i avaluació de protocols de comunicació. Cal identificar mecanismes i configuracions de paràmetres de les piles de protocols de comunicació per a WSNs que són elementals per al rendiment de la xarxa, optimitzar-los, i complementar-los amb l'addició d'altres de nous. La primera contribució d'aquesta tesi és la millora del rendiment extrem a extrem per PANs basat en IEEE 802.15.4, on s'analitza la configuració de paràmetres que es fan servir per defecte en protocols de comunicació comuns i s'avalua el seu impacte en el rendiment de la xarxa. Avaluacions físiques en una xarxa de sensors permeten fer front a la important qüestió de si els valors estàndards dels paràmetres són eficients o si ajustant-los es pot proporcionar un millor rendiment. La segona contribució d'aquesta tesi és l'optimització del rendiment extrem a extrem de xarxes ZigBee domòtiques (HA) sense fils. ZigBee és un estàndard important per a WSNs. Els estudis duts a terme cobreixen la important falta d'investigació d'avaluacions de rendiment de xarxes HA de ZigBee mitjançant experiments físics i mostrant formes per millorar el rendiment de la xarxa en base d'aquests experiments. Finalment, aquesta tesi es centra en la millora del mecanisme bàsic de control de congestió (CC) aplicada pel Constrained Application Protocol (CoAP) utilitzat en les comunicacions de la IoT. És necessari un algoritme de CC avançat per al control de la possible congestió en la IoT produïda per la plètora de dispositius i/o errors d'enllaç naturals per a les comunicacions de ràdio de baixa potencia. Donada l'alta rellevància de CoAP per a les comunicacions en la IoT, un algoritme CC avançat ha de ser capaç d'adaptar-se a les particularitats de les comunicacions de la IoT. Aquesta tesi contribueix al problema amb el disseny i l'optimització Control de Congestió Avançat / Simple del CoAP (CoCoA), un mecanisme de CC avançat per CoAP. Les investigacions de mecanismes de CC avançats per CoAP impliquen avaluacions extenses en xarxes simulades i experiments físics en xarxes reals utilitzant diferents tecnologies de comunicacions.Postprint (published version