Evaluating the energy simulations of multicast routing protocols used in wireless sensor networks

Abstract

Durch die rasante Entwicklung und Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) und des damit verbundenen, drastisch erhöhten Vernetzungsgrades von modernen Elektrogeräten stellt diese aktuelle Veränderung auch die etablierte Domäne der drahtlosen Sensornetzwerke (WSNs) vor neue Herausforderungen. Durch die Kombination des Internet Protokolls Version 6 (IPv6) mit dem Übertragungsstandard IEEE 802.15.4 ist es nun möglich, diese ressourcen-limitierten Netzwerke in das Internets der Dinge einzubinden und dadurch neue praktische Anwendungen umzusetzen.Diese neuen Möglichkeiten eröffnen jedoch auch weitere Problemstellungen, vor allem für Routing in diesen drahtlosen Sensornetzwerken. Die hierfür verwendeten Routingprotokolle müssen für eine möglichst verlässliche Ende-zu-Ende Übertragung jedes einzelnen Datenpakets sorgen, während die Übertragungen zusätzlich mit maximaler Energieeffizienz erledigt werden müssen. Um diese Eigenschaften für ein solches drahtloses Sensornetzwerk mit spezieller Topologie und Konfiguration zu ermitteln, sind moderne Netzwerksimulatoren unerlässlich. Aus diesem Grund werden verschiedene Netzwerksimulatoren mit besonderem Fokus auf die Verwendung mit drahtlosen Sensornetzwerken evaluiert. Nach dieser Evaluierung der verfügbaren Simulatoren wird der Network Simulator 3 (NS-3) für die weitere Arbeit verwendet, um das Multicast Protocol for Low-Power and Lossy Networks (MPL) zu implementieren, das bestehende Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV)-Modell für die Verwendung mit IPv6 portiert und die bestehende Implementierung des IEEE 802.15.4 Modells um ein Energiemodell zur direkten Simulation des Energieverbrauchs erweitert.Basierend auf diesen Implementierungen wird der NS-3 Simulator benutzt, um Mesh-Under Flooding, MPL und AODV6 mittels verschiedenster Parameter-Konfigurationen und Netzwerktopologien vergleichen zu können. Diese Vergleiche erlauben es, die unterschiedlichen Konfigurationsmöglichkeiten der genannten Protokolle hinsichtlich ihrer Energieeffizienz, Verlässlichkeit und Störanfälligkeit zu beurteilen und aus diesen Simulationsergebnissen, Empfehlungen für die Konfiguration und Verwendung dieser Protokolle in realen Applikationen abzuleiten.

In the past few years, the tremendous increase of connected and interlinked electronic devices led to the creation of the so-called Internet of Things (IoT), which has had a high impact on today's electronic devices, especially in the domain of Wireless Sensor Networks (WSNs). The development of 6LoWPAN, which enables WSN for the usage of IPv6 together with the transmission standard IEEE 802.15.4 opens many possibilities for modern WSNs. The combination of these two technologies enables the direct connection of WSNs into the global IoT, and therefore the realization of newer and even bigger applications than it would have been possible with conventional and only locally connected WSNs.These emerging possibilities create new use cases and lead to new challenges and requirements for modern WSNs. One of these challenges is the usage of specialized routing protocols inside the resource-limited nodes of a WSNs. These specialized routing mechanisms have to maintain a stable end-to-end communication over an unstable physical transmission channel while at the same time only consuming an absolute minimum of energy to enable a maximum lifetime for a node with its given battery power. Accordingly, state-of-the-art network simulators are essential tools, as they allow us to simulate diverse WSN, their different network topologies and protocol configurations.Therefore, we evaluate different network simulators for their usage and simulation of WSNs. As a result of this simulator evaluation, we further use the NS-3 and implement the Multicast Protocol for Low-Power and Lossy Networks (MPL) for this simulator. Additionally, we port the existing IPv4 based model for the Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) routing protocol for the usage with IPv6. Further, we extend the simulator's IEEE 802.15.4 model with an energy model, which allows us to simulate a node's energy consumption and turn it off if its battery uses all its available energy.Further we use our extended NS-3 simulator to model the behaviour of WSNs that use the following routing protocols, MPL, Mesh-Under Flooding and Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing for IP version 6 (AODV6) with different parameter configurations on the most common network topologies. We then use the data and results generated in these simulations to compare the protocols against each other regarding energy efficiency, reliability and capabilities. Therefore, we want to provide developers of WSNs with recommendations and hints on how to use and configure these routing protocols to achieve the best performance and energy efficiency.