Convergence of contrained and non-constrained communication standards

Abstract

(English) As the Internet of Things (IoT) deployment proceeds, the number of radio solutions used in the Wireless Sensor Network (WSN) space increases. This well-known process has led to fragmentation in the IoT space, as well as to incompatibility between the constrained radio solutions used in WSN devices and the more general-purpose ones, used in most connective devices. Thus, there is a research opportunity in improving the interoperability of the overspecialized and non-inter-operable radio solutions currently used in WSN. Therefore, this thesis proposes mechanisms to achieve interoperability and, as a consequence, the convergence of WSN radio solutions. It does so by applying Wake-up Radio (WuR).

Wake-up Radio (WuR) allows devices to save power by remaining inactive while, at the same time, remaining responsive. Currently, WuR is being used to enable low-power WSN use cases with mainstream radio solutions, such as IEEE 802.11. This contribution evaluates the state-of-the-art in WSN and WuR and justifies several specific areas to contribute. First, to reduce specialization by broadening the scope of technologies that can be used in WSN, and, second, to improve compatibility between those solutions already deployed. For this purpose, this thesis develops research aimed at extending the scope of a generalist solution, legacy IEEE 802.11, to the low-power uses cases required by WSN. Next, this thesis researches improving the compatibility of already existing solutions IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 by using WuR to achieve interoperability.

To contribute to the adoption of IEEE 802.11 in WSN use cases, this work presents a procedure to implement a Wake-up Transmitter (WuTx) that can be implemented using legacy IEEE 802.11 transceivers. The method devised is capable of operating at 250 kbps, additionally, it is thoroughly evaluated and compared to the state-of-the-art WuR solutions compatible with IEEE 802.11 through simulations. Later, the legacy-compatible WuTx was implemented in two proof-of-concept IEEE 802.11 devices, one embedded and another Linux-based.To further contribute to enabling IEEE 802.11 use in low-power WSN, this thesis presents a WuRx (Wake-up Receiver), complementary to the previously proposed WuTx. The power consumption of this WuRx baseband is characterized under different scenarios. Thus, jointly with the previously presented WuTx, this contribution extends low-power WSN use cases through WuR to even legacy-IEEE 802.11 devices.

Next, to improve the interoperability between WSN devices, the previous WuR developments presented in this thesis are applied to the interconnection of non-compatible devices through WuR. This application of WuR is named here WuR Cross Technology Communications (WuR-CTC). To demonstrate the WuR-CTC concept, a WuR-CTC solution is developed and implemented in a testbed, showcasing WuR communication between IEEE 802.11 and IEEE 802.15.4 devices as a way to reduce fragmentation in the WSN radio solution space. All source code and hardware design for these implementations are shared, thus, enabling reproduction and extension.

Through its research work, this thesis advances the state of the art in both low-power IEEE 802.11 use, as well as cross-technology communications. This work has showcased what can be achieved with further convergence inside the fragmented WSN radio landscape while, simultaneously, demonstrating how WuR can be applied to achieve these goals.

(Català) Així tal com avança el desenvolupament de la Internet of Things (IoT), el nombre de tecnologies de radio aplicades en el sector dels Wireless Sensor Networks (WSN) creix. Aquest fenomen, àmpliament conegut, ha portat a la fragmentació en l’espai IoT i, a més a més, ha creat incompatibilitat entre les solucions d’us d’energia reduït, usades en WSN, i les d’ús general, incloses en la gran majoria de dispositius connectius. Així dons, hi ha una oportunitat de recerca en millorar la interoperabilitat de les tecnologies radio usades ara mateix per als WSN. Per a resoldre aquesta problemàtica, aquesta tesi proposa aplicar la tecnologia Wake-up Radio (WuR) amb l’objectiu d’aconseguir interoperabilitat, i d’aquesta manera, aconseguir convergir l’espectre de solucions radio aplicades en les WSN.

WuR permet als dispositius estalviar energia mantenint-se inactius, però, al mateix temps, romandre responsius, llestos per rebre missatges. Ara mateix, aquesta tecnologia s’està usant per a permetre a que dispositius que utilitzen tecnologies radio d’us general s’usin en aplicacions que requereixen un baix consum d’energia. Un exemple actual és l’IEEE 802.11, que amb la especificació IEEE 802.11ba integra WuR per a millorar la seva eficiència energètica.

Així dons, aquesta contribució avalua l’estat de l’art en WuR i WSN per tal de justificar contribucions concretes. Aquests són, primerament, ampliar en rang de tecnologies d’ús general aplicables a WSN i, seguidament, millorar la compatibilitat de les solucions ja desplegades als WSN. Conseqüentment, aquesta tesi desenvolupa recerca que té l’objectiu de reduir el consum energètic d’una solució generalista, el IEEE 802.11, per a poder ser usat en les WSN. A continuació, aquesta tesi desenvolupa recerca per a millorar la compatibilitat entre dues tecnologies ja existents, IEEE 802.11 i IEEE 802.15.4, fent servir WuR per a aconseguir que aquestes siguin interoperables.

Per a contribuir en l’adopció de IEEE 802.11 en aplicacions WSN, aquest treball presenta un procediment per implementar un Wake-up Transmitter (WuTx) compatible amb ràdios IEEE 802.11 ja existents, sense necessitat de modificacions. El mètode descobert es capaç d’arribar a tasses de 250 kbps. A més a més, aquest es comparat mitjançant simulacions amb altres solucions compatibles amb IEEE 802.11 de l’estat de l’art actual. Seguidament, es proposen dues implementacions d’aquest procediment, una en un dispositiu Linux i una altre en un dispositiu basat en microcontrolador. A continuació, aquesta tesi proposa el disseny d’un Wake-up Receiver (WuRx), complementari al WuTx anteriorment presentat. Per avaluar-lo, es mesura el consum d’energia del component de banda base d’aquest sota diferents escenaris. Així, ambdós components, el WuRx i el WuTx, contribueixen a estendre la usabilitat dels dispositius IEEE 802.11 ja existents a casos d’us WSN que requereixen baix consum d’energia.

Finalment, per a millorar la interoperabilitat dels dispositius ja existents usats en WSN, els components de WuR presentats anteriorment en aquesta tesi, s’apliquen a la interconnexió de dispositius amb ràdios no compatibles. Aquesta aplicació de WuR l’anomenem aquí WuR Cross Technology Communications (WuR-CTC). Per a demostrar l’aplicabilitat del concepte WuR-CTC, es desenvolupa un banc de proves amb dispositius IEEE 802.15.4 i IEEE 802.11. Amb aquests es pot demostrar la utilitat de WuR-CTC com a medi per reduir la fragmentació en les WSN. Tot el codi font i el disseny de les implementacions s’ha publicat, per tal d’ajudar a la reproducció i extensió dels resultats per tercers.

A través del treball de recerca, aquesta tesi avança l’estat de l’art tant en l’ús de IEEE 802.11 en WSN, com en la comptabilització de dispositius. Aquest treball ha demostrat les avantatges d’aconseguir convergència en l’entorn fragmentat de les WSN, i, al matiex temps, com WuR es pot aplicar per aconseguir aquests objectius.

(Español) Al avanzar el desarrollo de la Internet of Things (IoT), el nombre de tecnologías radio aplicadas al sector de los Wireless Sensor Networks (WSN) crece. Este fenómeno, ampliamente conocido, ha llevado a la fragmentación en el espacio IoT y, además, ha creado incompatibilidad entre las soluciones de radio de uso de energía reducido, usadas en WSN, y las de uso general, incluidas en la gran mayoría de dispositivos conectivos. Así pues, existe una oportunidad de investigación en la mejora de la interoperabilidad de las tecnologías radio usadas en WSN. Para resolver esta problemática, esta tesis propone aplicar Wake-up Radio (WuR) con el objetivo de proveer de interoperabilidad y, de esta manera, conseguir converger el espectro de soluciones radio aplicadas a los WSN.

WuR permite a los dispositivos ahorrar energía manteniéndose inactivos, pero, al mismo tiempo, mantenerse responsivos, listos para recibir mensajes. Ahora mismo esta tecnología se esta usando para permitir que dispositivos que usan radios generalistas se puedan usar en aplicaciones que requieren un bajo consumo energético. Un ejemplo actual de esto es IEEE 802.11 que con la especificación IEEE 802.11ba integra WuR para mejorar su eficiencia energética.

Así pues, esta contribución evalúa el estado del arte en WuR y WSN para justificar contribuciones concretas. Estas son, en primer lugar, ampliar el rango de tecnologías de uso general aplicables a los WSN y, en segundo lugar, mejorar la compatibilidad entre las tecnologías ya desplegadas para WSN. En consecuencia, esta tesis desarrolla su investigación con el objetivo de reducir el consumo de una solución generalista, IEEE 802.11, para que esta se pueda usar en aplicaciones WSN. A continuación, esta tesis investiga la mejora de compatibilidad entre dos tecnologías ya existentes, IEEE 802.11 y IEEE 802.15.4 usando WuR para conseguir que estas sean interoperables.

Para contribuir en la adopción de IEEE 802.11 en aplicaciones WSN, este trabajo presenta un método para implementar un Wake-up Transmitter (WuTx) compatible con radios IEEE 802.11 ya desplegadas, sin necesidad de modificaciones. El método descubierto es capaz de llegar a tasas de 250 kbps. Además, este es comparado usando simulaciones con otras soluciones compatibles con IEEE 802.11 del estado del arte. Seguidamente, se proponen dos implementaciones particulares del método, una en un dispositivo Linux y otra en un dispositivo basado en microcontrolador. A continuación, este trabajo propone un diseño de Wake-up Receiver (WuRx) complementario al WuTx presentado anteriormente. Para evaluar-lo, se mide el consumo de energía de su banda base bajo distintos escenarios. Conjuntamente, el WuTx y el WuRx contribuyen a ampliar la usabilidad de los dispositivos IEEE 802.11 ya existentes a casos de uso WSN que requieren de un bajo consumo de energía.

Finalmente, para mejorar la interoperabilidad de los dispositivos existentes usados en WSN, los componentes de WuR presentados anteriormente en esta tesis, se aplican a la interconexión de dispositivos con radios no compatibles. Esta aplicación de WuR es denomicnada aquí como WuR Cross Technology Communciation (WuR-CTC). Para demostrar la aplicabilidad del concepto WuR-CTC, se desarrolla un banco de pruebas con dispositivos IEEE 802.11 e IEEE 80.15.4. Con estos dispositivos se demuestra la utilidad de WuR-CTC como medio para reducir la fragmentación en las WSN. Todo el código fuente, junto con el diseño de la implementación se ha publicado para ayudar a la extensión y reproducción de los resultados.

A traves del trabajo de investigación, esta tesis avanza el estado del arte tanto en el uso de IEEE 802.11 en WSN, como en la compatibilización de dispositivos en WSM. Este trabajo ha demostrado las ventajas de conseguir convergencia en el fragmentado entorno de los WSN y, al mismo tiempo, como WuR es una herramienta capaz de conseguir estos objetivos.