ZigBee network layer simulation on top of IEEE 802.15.4

Abstract

Eine Vielzahl von funkbasierten Systemen wird bereits in unserer näheren Umgebung eingesetzt. Die bekannteren Systeme stellen die notwendige Infrastruktur für unsere Mobiltelefone dar. Mittlerweile haben sich funkbasierte Netzwerke auch in Privathaushalten durchgesetzt.<br />In den letzten Jahren konnte ein Vorstoß von drahtlosen Systemen im Heim- und Gebäudeautomationssektor beobachtet werden.<br />ZigBee ist eines der führenden Protokolle in der Heim- und Gebäudeautomation. ZigBee unterstützt den Aufbau von Punkt-zu-Punkt Verbindungen genauso wie den Aufbau von Netzwerken in einer Stern-Struktur. Der Hauptaufgabenbereich von ZigBee ist allerdings das Routing von Paketen. Daher ist auch der Aufbau von vermaschten Netzwerken mit ZigBee-Geräten möglich. ZigBee wurde im Jahr 2003 entwickelt und erfüllt all jene Funktionalitäten, die von einem funkbasierten Sensor-Netzwerk gefordert werden.<br />Die hohen Erwartungen an funkbasierte industrielle Sensor-Netzwerke, setzen niedrige Ausfallraten und hohe Verfügbarkeit voraus. Allerdings basieren die Zugriffsverfahren auf das Netzwerkmedium der meisten dieser Systeme auf nicht deterministischen Methoden. Daraus resultierende Systemausfälle können plötzlich auftreten. Da ein prognostizierbares Verhalten von Sensor-Netzwerken notwendig ist, müssen neue Konzepte zur Vorhersage entwickelt werden.<br />Für die Entwicklung eines neuen Konzepts sind sowohl detailliertes Wissen über das zugrunde liegende Netzwerkprotokoll als auch die Kenntnis über das Grundgerüst des Protokolls selbst notwendig. In Folge muss das Konzept auf Korrektheit geprüft werden. Hierfür wurde das gesamte Netzwerkprotokoll in einer Simulationsumgebung implementiert.<br />Die daraus resultierenden Ergebnisse können mit jenen der analytischen Konzepte verglichen werden.<br />Das entwickelte Konzept kann zur Abschätzung und Vorhersage des Verhaltens von ZigBee-Netzwerken verwendet werden und bietet im Detail folgende Möglichkeiten: Die durchschnittliche Übertragungszeit von Paketen innerhalb eines ZigBee-Netzwerks, sowie deren tatsächliche Auslastung und Effizienz kann abgeschätzt werden. Vorhersagen über voraussichtliche Übertragungszeiten, Ausfälle auf Grund der Überlastung eines Netzwerks und das Verhältnis von Managementpaketen zu Datenpaketen bezogen auf deren tatsächliche Größe können getätigt werden.<br />

Wireless systems surround us, anywhere we go. Well known technologies build up the wireless infrastructure mobile phones depend on. Wireless network equipment has been introduced to private homes in the last decade. The wireless automation infrastructure started to connect sensors and actuators of commercial products a few years ago.<br />The increase of wireless products in the area of HBA can be observed in recent years.<br />ZigBee is one of the leading technologies in HBA. This protocol standard, developed in 2003, provides the functionalities expected for a WSAN. Point-to-point connections, as well as star networks can be built using ZigBee. The routing capabilities, are the main feature of ZigBee.<br />Therefore, ZigBee devices can also be used to build mesh networks.<br />Whenever WSANs are used in automation, they are expected to reliably provide their functionality. However, most of the wireless protocols in this context are based on indeterministic media access mechanisms. This can lead to sudden system failures. Due to this unintended behavior, a new approach for predicting WSANs' message transfer is required.<br />Initiating a new concept for predicting network behavior requires detailed knowledge of the protocol and its basis. Furthermore, the concept needs to be checked for correctness. Due to the indeterminism of WSANs, the behavior of such systems in terms of scalability and timeliness cannot be evaluated with formal methods. Therefore, estimation rules are deduced to predict the behavior of ZigBee networks.<br />An implementation of the network protocol in a simulation framework is used to produce comparable results in parallel.<br />The estimations for predicting the behavior of ZigBee networks, presented in this thesis, provide the following opportunities. The average transmission delay of ZigBee networks can be estimated and predictions about the average packet transmission delay of any ZigBee network can be made. Network downtimes due to an overload of the network can be predicted by assessing the actual channel utilization.<br />Additionally, the efficiency of the ZigBee protocol according to specific networks can be estimated. Furthermore, the relation of management packet payload to data packet payload becomes predictable.