PP-MAC Protocolo MAC do tipo polling com predição para redes IoT com geração periódica de pacotes

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sabo, Paulo Henrique, 1985-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640318
Resumo: Orientador: Paulo Cardieri
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spelling PP-MAC Protocolo MAC do tipo polling com predição para redes IoT com geração periódica de pacotesPP-MAC prediction polling type MAC protocol for periodic generation packets IoTRedes de computadores - ProtocolosInternet das coisasEficiência energéticaComputing networks - ProtocolsInternet of thingsPower savingOrientador: Paulo CardieriTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O uso da Internet da Coisas (IoT) como meio de acúmulo de informação para análise e uso em Big Data vem se tornando cada vez mais comum nos últimos anos. Estas informações são geradas por nós, denominados smart things, que usualmente transmitem os dados por meio sem fio. O número crescente de smart things gerando dados e disputando o meio sem fio resulta em alguns problemas, dentre eles a ineficiência de mecanismos de acesso ao meio sem fio em termos de consumo de energia e uso do canal. Parte das aplicações em IoT fazem uso de nós que geram dados em intervalos fixos, como, por exemplo, aplicações de monitoramento de ambientes e sistemas de transporte inteligentes. Além disso, boa parte dos dispositivos smart things são alimentados por baterias. Deste modo, este trabalho propõe um novo protocolo de acesso ao meio baseado em técnicas de polling que faz uso do comportamento periódico de geração de pacotes de cada smart thing. O protocolo proposto neste trabalho, denominado Predict Polling (PP-MAC), estima os intervalos de geração de pacotes das smart thing e identifica o momento de transmissão de pacotes para predizer o momento que a smart thing irá gerar o próximo pacote. Com essa predição, a entidade controladora da rede consulta a smart thing no momento que a mesma tem um pacote pronto para transmitir, de forma que a smart thing permanecerá por um menor tempo em Idle Listening (IL). Considerando que o IL é uma das principais causas de consumo de energia de uma smart thing, a diminuição do tempo de IL resulta em redução do consumo de energia e, consequentemente, em um maior tempo de disponibilidade da smart thing na rede IoT. O desempenho do protocolo proposto PP-MAC é analisado e comparado ao do protocolo clássico Polling Cíclico, em termos de quantidade de pacotes perdidos, quantidade de pacotes de polls enviados por unidade de tempo, tempo de IL e tempo de uso do canal. Resultados de simulações do protocolo proposto PP-MAC mostram uma redução de ao menos 50% de tempo de IL e de 55% menos pacotes de poll enviados, comparado ao protocolo Polling Cíclico. Também é proposta nesse trabalho uma plataforma de hardware para ensino de conceitos em IoT, denominada NodePHS. A plataforma NodePHS foi utilizada para a avaliação dos protocolos PP-MAC e Polling Cíclico em ambiente experimental. Resultados de desempenho de uma rede real com 45 nós NodePHS demonstram a eficiência do protocolo proposto em termos de uso do canal e redução de tempo de IL, que representa um menor consumo de energia do módulo de rádio do nó quando comparado ao protocolo Polling CíclicoAbstract: The use of the Internet of Things (IoT) to gather data for analysis using Big Data techniques has become evident in the last few years. In the IoT context, information is generated by the so-called smart thing, which typically transmits the data through a wireless network. The increasing number of smart things generating data and disputing the wireless medium has raised some issues regarding energy consumption and channel use efficiency. In a large number of IoT applications, nodes generate data periodically, such as environment monitoring and intelligent transport systems. Also, smart things are usually powered by a battery, whose replacement may be difficult or even impossible. This work proposes a polling-based medium access protocol for applications in which packets are generated periodically. The protocol, called Predict Polling (PP-MAC), estimate packet generation interval the time instant a packet is generated, based on observations of the smart things. Based on these estimations, a central controller can send a polling message to each smart thing, querying whether it has an information packet to be transmitted, very close to the moment the packet is generated. This will result in short idle listening (IL) period, during which the smart thing waits for the polling message. It is well known that idle listening is one of the major causes of energy consumption of a smart thing. Therefore, by reducing the IL period, we extend the life of smart things in the network and the availability of the application. The performance of the proposed protocol was evaluated and compared with the classical cyclic polling protocol, in terms of the packet loss rate, the number of polling messages sent per unit time, and IL time. Simulations results show that the PP-MAC protocol leads to a reduction of at least 50% of the IL time, and 55% fewer polling messages, when compared to the cyclic polling protocol. This work also proposes a hardware platform, called NodePHS, for IoT teaching. This platform was used to evaluate the performance of the PP-MAC protocol in a hardware implementation. A network of 46 NodePHS nodes operating under the PP-MAC procotol or the cyclic polling protocol was deployed and evaluated in terms of channel use and IL time. The results corroborated the superior performance of the PP-MAC protocolDoutoradoTelecomunicações e TelemáticaDoutor em Engenharia Elétrica[s.n.]Cardieri, Paulo, 1964-Branquinho, Omar CarvalhoSantos, Luiz Arthur Feitosa dosManêra, Leandro TiagoMeloni, Luís Geraldo PedrosoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSabo, Paulo Henrique, 1985-20202020-12-17T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (134 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1640318SABO, Paulo Henrique. PP-MAC Protocolo MAC do tipo polling com predição para redes IoT com geração periódica de pacotes. 2020. 1 recurso online (134 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. 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